Cobaltkatalysierte Fischer-Tropsch-Synthese: Systematische Untersuchung von Kohlenstoffträgereffekten auf Katalysatoraktivität und Deaktivierung.
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die chemische Industrie arbeitet gegenwärtig entlang linearer Wertschöpfungsketten, in denen fossile Kohlenwasserstoffe zu Alltagsgütern verarbeitet werden, die letztendlich entsorgt werden. Die damit verbundenen Probleme könnten durch die Etablierung einer Kreislaufwirtschaft vermieden werden, in der Kohlenwasserstoffe aus Biomasse, Abfall oder Kohlendioxid hergestellt werden. 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 ihre rasche Deaktivierung, wobei dem Katalysatorträger eine Schlüsselrolle beim Design deaktivierungsresistenter Katalysatoren zukommt. 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 Nanostruktur, Textur und Oberflächenchemie auszeichnen. Aufgrund der Vielzahl von Einflussfaktoren ist die Optimierung kohlenstoffbasierter Katalysatorträger jedoch eine große Herausforderung. In diesem Kontext wurde der Einfluss der Nanostruktur und Oberflächenchemie von Kohlenstoffkatalysatorträgern auf die Leistung von Co basierten FTS Katalysatoren systematisch untersucht. Dazu wurden Reihen vergleichbarer Kohlenstoffträger synthetisiert und mit kolloidalen Cobaltnanopartikeln zu hochdefinierten Modellkatalysatoren kombiniert. Die Verwendung dieser Modellmaterialien ermöglichte es den Einfluss verschiedener Kohlenstoffoberflächenfunktionalisierungen (durch O, N, S und P) auf die Katalysatorleistung zu isolieren, wobei jedoch keine der untersuchten Oberflächenfunktionalisierungen eine Kombination aus hoher Katalysatoraktivität und hoher Deaktivierungsresistenz ermöglichte. Des Weiteren wurde der Einfluss der Kohlenstoffnanostruktur auf die Katalysatorleistung untersucht, wobei festgestellt wurde, dass eine defektreiche Kohlenstoffstruktur signifikant zur Erhöhung der Katalysatorstabilität beiträgt. Dabei spielt die Verankerung der Cobaltnanopartikel, die während der Katalysatorreduktion an defektreichen, aber nicht defektarmen Kohlenstoffstrukturen stattfindet, eine große Rolle. Diese Verankerung vermindert die Mobilität der Cobaltnanopartikel auf dem Katalysatorträger, und verhindert so die Katalysatordesaktivierung durch Koaleszenz von Cobaltnanopartikeln und den damit verbunden Verlust an aktiver Metalloberfläche.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
"Aqueous-phase Reforming of ethylene glycol over carbon nanofiber supported catalysts” CARBOCAT IX 28. – 30. June 2022, Zaragoza, Spain. Lecture
M. Pazos Urrea, F. Herold, D. Chen & M. Rønning
-
Can Temperature-Programmed Techniques Provide the Gold Standard for Carbon Surface Characterization?. Chemistry of Materials, 34(19), 8490-8516.
Herold, Felix; Gläsel, Jan; Etzold, Bastian J. M. & Rønning, Magnus
-
“Gasification-Assisted Heteroatom Doping: A Broadly Applicable Post-Synthesis Doping Strategy with Minimal Impact on Carbon Properties” CARBOCAT IX 28. – 30. June 2022, Zaragoza, Spain. Poster
F. Herold & M. Rønning
-
“Gasification-Assisted Heteroatom Doping: A Broadly Applicable Post-Synthesis Doping Strategy with Minimal Impact on Carbon Properties” CARBON 3. – 8. July 2022, London, United Kingdom. Keynote lecture.
F. Herold & M. Rønning
-
“Gasification-Assisted Heteroatom Doping: A Broadly Applicable Post-Synthesis Doping Strategy with Minimal Impact on Carbon Properties” Summerschool YoungGeCats/NaWuReT, 22. – 25. May 2022, Ulm, Germany. Poster.
F. Herold & M. Rønning
-
Controlled doping of carbon catalyst supports by atomic replacement via gasification-assisted heteroatom doping. Carbon, 207, 207-218.
Herold, Felix; Imhof, Timo; Roumeliotis, Paul; Schühle, Patrick; Ledendecker, Marc & Rønning, Magnus
-
Nitrogen-containing carbon nanofibers as supports for bimetallic Pt-Mn catalysts in aqueous phase reforming of ethylene glycol. Catalysis Today, 418, 114066.
Pazos, Urrea Monica; Herold, Felix; Chen, De & Rønning, Magnus
-
“Aqueous-phase reforming of ethylene glycol over platinum-based catalysts supported on functionalized carbon nanofibers” EuropaCat, 27. August – 1. September 2023, Prague, Czech Republic. Lecture
M. Pazos Urrea, F. Herold, S. Meilinger, E. Tusini, A. De Giacinto, A. Zimina, D. Chen, M. Casapu, J.-D. Grunwaldt & M. Rønning
-
Aqueous Phase Reforming over Platinum Catalysts on Doped Carbon Supports: Exploring Platinum–Heteroatom Interactions. ACS Catalysis, 14(6), 4139-4154.
Pazos, Urrea Monica; Meilinger, Simon; Herold, Felix; Gopakumar, Jithin; Tusini, Enrico; De Giacinto, Andrea; Zimina, Anna; Grunwaldt, Jan-Dierk; Chen, De & Rønning, Magnus
-
“Influence of Carbon Heteroatom Doping on Carbon Supported Cobalt Fischer-Tropsch-Catalysts” 57. Annular German Catalysis Meeting 13. – 15. March 2024, Weimar, Germany. Lecture
F. Herold, D. de Oliveira, M. Claeys & M. Rønning
