Übergangsmetallphosphide als stabile und hochselektive Katalysatoren für die Dehydrierung aliphatischer und zyklischer Alkane

• Antragsteller: Dr.-Ing. Patrick Schühle
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Technische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 537270564

Die Nutzung und Gewinnung von erneuerbarem Wasserstoff spielt eine wichtige Rolle in der zukünftigen Produktion von Basischemikalien und Energieträgern. Dies erfordert robuste und selektive heterogene Katalysatormaterialien für Hydrier- und Dehydrierreaktionen. Durch das Doping mit Fremdelementen, die elektronisch und sterisch wirken, können sowohl Widerstandsfähigkeit als auch Selektivität von Übergangsmetallkatalysatoren gesteigert werden. Phosphor hat sich als besonders wirksames Fremdatom für die Modifikation von heterogenen Katalysatoren herausgestellt. Beispielsweise hat das Doping von Edelmetallen mit Phosphor und die Bildung kristallin geordneter Übergangsmetallphosphide (TMPs) in verschiedenen Hydrier- und Dehydrieranwendungen positive Effekte auf Aktivität, Selektivität und Stabilität gezeigt. In eigenen Vorarbeiten konnte insbesondere eine beachtliche Resistenz der TMPs gegenüber Versinterung und Verkokung sowie eine Steigerung der Dehydrieraktivität im Vergleich zu Phosphor-freien Materialien nachgewiesen werden. Das Projekt konzentriert sich auf die Entwicklung und Untersuchung von Platin- und Molybdän-basierten TMP-Katalysatoren für die Dehydrierung von linearen und zyklischen Kohlenwasserstoffen. Im ersten Teil (AP 1) wird eine neue Synthesemethode für technische TMP-Katalysatoren, die Phosphonium-Salze als Phosphor-Precursor einsetzt, entwickelt und untersucht. Durch Vergleiche zu state-of-the-art Syntheseverfahren soll im Projekt geklärt werden, ob die Phosphonium-Route wie erwartet zu Katalysatoren mit höherer aktiver Oberfläche und besserer Performance führt. Im weiteren Verlauf des Projekts (AP 2) wird untersucht, ob die Phosphormodifikation von Übergangsmetallkatalysatoren die Robustheit gegenüber gängigen Deaktivierungsmechanismen (Versinterung, Verkokung) erhöhen kann und wie sich die Materialien im Falle auftretender Deaktivierung regenerieren lassen. Dazu werden TMP-Katalysatoren unterschiedlicher Zusammensetzung in einem Sorptionsanalysator (XEMIS) thermischen Belastungszyklen unterzogen und automatisiert hinsichtlich Koksbildung und Oberflächenveränderung analysiert. Robuste Katalysatoren mit hoher Aktivoberfläche werden anschließend für weitere Studien ausgewählt. Im finalen Projektteil (AP 3) werden die katalytischen Eigenschaften der hergestellten und charakterisierten Mo- und Pt-basierten TMP-Katalysatoren in der Gasphasendehydrierung des zyklischen Methylcyclohexans und des linearen n Heptans untersucht. Die identische Kohlenstoffanzahl (C7) beider Beispielsubstrate erlaubt es, die Eignung und katalytischen Eigenschaften von TMPs für die Dehydrierung linearer und zyklischer Edukte sehr gut zu vergleichen. Ziel ist es, nicht nur den Einfluss auf die Katalysatorstabilität durch die Phosphormodifikation zu verstehen, sondern auch ihre positiven Auswirkungen auf Aktivität und Selektivität in anspruchsvollen Dehydrierreaktionen zu erforschen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen