Cobaltkatalysierte Fischer-Tropsch-Synthese: Systematische Untersuchung von Kohlenstoffträgereffekten auf Katalysatoraktivität und Deaktivierung.

• Antragsteller: Dr. Felix Herold
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 471263729

Der sich abzeichnende Übergang der Rohstoffbasis des gegenwärtigen Wirtschaftssystems von fossilen zu erneuerbaren Ressourcen erfordert die Entwicklung chemischer Prozesse, die die Herstellung von Brennstoffen und Rohstoffen für die chemische Industrie aus Biomasse, Abfall oder Kohlendioxid ermöglichen. Eine der verfügbaren Technologien zur Bewältigung dieser Herausforderung ist die Fischer-Tropsch-Synthese (FTS), die aus Synthesegas Kohlenwasserstoffe erzeugt, und somit eine hohe Bedeutung innerhalb einer zukünftigen Kreislaufwirtschaft aufweist. Eines der vielversprechendsten Katalysatorsysteme für die FTS basiert auf Cobaltnanopartikeln, die auf einem geeigneten Träger verteilt sind. Das fundamentalste Problem dieser Katalysatoren ist die rasche Deaktivierung, die im Wesentlichen auf die Reoxidation des metallischen Cobalts (Co) und Sintern, also die Verringerung der aktiven Oberfläche der Co-Nanopartikel zurückzuführen ist. Im Hinblick auf deaktivierungsresistente Katalysatoren stellt der Katalysatorträger eine Schlüsselkomponente dar: Neben der Vergrößerung der aktiven Co-Oberfläche durch Dispersion fördert er die Reduzierbarkeit und stabilisiert gleichzeitig die aktiven Nanopartikel gegen Deaktivierung durch Sintern. Kohlenstoff stellt in dieser Hinsicht ein attraktives Trägermaterial dar, da Kohlenstoffmaterialien sich durch hohe Oberflächen, chemische Beständigkeit und nahezu unbegrenzte Möglichkeiten zur gezielten Manipulation von Struktur und Oberflächenchemie auszeichnen. Aufgrund der Vielzahl von Einflussfaktoren ist der Vergleich einzelner Katalysatorträger jedoch oft eine Herausforderung, wobei die Größe der Co-Nanopartikel auf dem Kohlenstoffträger den wichtigsten Einflussfaktor darstellt. Herkömmliche Präparationsverfahren ermöglichen lediglich eine mangelhafte Kontrolle über die Co-Partikelgröße, wobei fundamentale Zusammenhänge zwischen Trägereigenschaften sowie FTS-Aktivität und Deaktivierungsverhalten nach wie vor ungeklärt bleiben.Vor diesem Hintergrund schlagen wir einen systematischen Ansatz zur Entflechtung der Kohlenstoffträgereffekte auf die Katalysatorleistung und insbesondere die Katalysatordeaktivierung vor. In diesem Zusammenhang soll der Einfluss der Kohlenstoffstruktur, von Oberflächenoxiden und von Heteroatomdotierung isoliert und ohne Beeinflussung durch Co-Partikelgrößeneffekte untersucht werden.Schlüsselstrategie ist die Kombination von wohldefinierten Kohlenstoffträgermaterialien mit einer separaten, kolloidbasierten Co-Nanopartikelsynthese, die auf die Trennung der Einflüsse von Trägereigenschaften und Co-Partikelgröße abzielt. Ausgewählte Modellträger werden synthetisiert, mit definierten Co-Nanopartikeln beladen und in der FTS untersucht. Durch die Verknüpfung von Katalysatoraktivität, -selektivität und -deaktivierung mit umfassender (in situ) Charakterisierung sollen fundamentale Einblicke in die Wechselwirkungen zwischen Cobalt und Kohlenstoff erreicht werden.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Norwegen
• Gastgeber: Professor Magnus Rønning, Ph.D.