NSF-DFG Mission: Aufklärung des Mechanismus der Kopplung von Alkoholen zu Acrolein mittels orts- und zeitaufgelöster operando Spektrokinetik

• Antragsteller: Professor Dr. Raimund Horn
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Technische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 542479366

Acrolein ist ein wichtiges Zwischenprodukt der chemischen Industrie mit einem Produktionsvolumen von mehreren hunderttausend Tonnen pro Jahr. Die Herstellung von Acrolein ist energieintensiv und erfolgt heute durch katalytische Oxidation von Propen, das durch Wasserdampfspaltung von Erdölkomponenten erzeugt wird. Ziel des Forschungsprojekts ist es, die oxidative Kopplung von Methanol und Ethanol als alternativen Syntheseweg zu Acrolein zu untersuchen, der heterogen-katalysiert an Eisenmolybdat-Katalysatoren abläuft. Methanol und Ethanol können aus erneuerbaren Rohstoffen hergestellt werden. Damit könnte diese oxidative Alkoholkopplung die Herstellung von Acrolein aus fossilen Rohstoffen perspektivisch ersetzen. Für eine industrielle Anwendung sind die Acroleinausbeuten noch zu gering, könnten aber erhöht werden, wenn die mechanistischen Grundlagen dieser Reaktion einmal verstanden sind. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, den Reaktionsmechanismus, die geschwindigkeitsbestimmenden Schritte, die aktiven Zentren, die Oberflächenadsorbate und die Struktur-Wirkbeziehung des Katalysators aufzuklären. Folgende Fragen sollen beantwortet werden: 1.) Was ist die Struktur der aktiven Zentren des Katalysators, wo befinden sich diese Zentren auf der Katalysatoroberfläche und wie verteilen sie sich im Reaktor? 2.) Auf welchen Reaktionspfaden entsteht Acrolein und wie entstehen die selektivitätsmindernden Nebenprodukte? Welche Reaktionsschritte sind auf diesen Pfaden geschwindigkeitsbestimmend und welche Adsorbate bedecken die Katalysatoroberfläche. 3.) Wie ist die Kinetik der Reaktionsschritte und ist es möglich, durch erzwungene periodische Modulation der Konzentration der Reaktanden Selektivität und Ausbeute von Acrolein zu erhöhen? Zur Beantwortung dieser Fragen werden moderne spektroskopisch-kinetische Messmethoden mit modernen Modellierungsmethoden synergistisch gekoppelt. Molekular-spektroskopische Methoden werden in temperatur-programmierten und Modulations-Anregungs-Experimenten angewendet, um die kinetisch relevanten Zentren und Adsorbate an der Katalysatoroberfläche zu identifizieren. Die Verteilung dieser Zentren und Adsorbate im Reaktor wird mithilfe von kinetischen- und spektroskopischen Reaktorprofilmessungen untersucht. Alle kinetischen und spektroskopischen Daten dienen als Grundlage für die modellbasierte Entwicklung eines detaillierten Reaktionsmechanismus und eines mikrokinetischen Modells. Hierfür werden Dichtefunktionaltheorie und mikrokinetische Modellierung mit Methoden des maschinellen Lernens kombiniert. Mit dem mikrokinetischen Modell wird berechnet welche Betriebsbedingungen des Reaktors zu optimalen Acroleinausbeuten führen und die Vorhersagen werden experimentell verifiziert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Srinivas Rangarajan, Ph.D.; Professor Israel Ephraim Wachs, Ph.D.