Grenzflächendesign von funktionsintegrierenden Katalysatoren für die Ethanoldehydrierung

• Antragsteller: Professor Dr. Ferdi Schüth
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 323224195

Das Vorhaben zielt - in prototypischer Weise - auf die Entwicklung von nanostrukturierten Katalysatoren für die Ethanoldehydrierung, bei denen für das System wesentliche Grenzflächen zwischen Träger und dem Aktivmetall Kupfer gezielt hergestellt und modifiziert werden. Hierdurch sollen zwei Probleme gelöst werden, wobei der Lösungsansatz vom Stand des Wissens über das System ausgeht: Silica als Träger stabiliert Kupfer-Nanopartikel gut, da sich Oxobrücken zwischen Träger und Metallpartikel ausbilden können. Die Silanolgruppen auf der Silicaoberfläche führen jedoch zu Nebenreaktionen, die die Selektivität zu Acetaldehyd verringern. Kohlenstoff ist ein alternativer Träger, mit reduzierten Nebenreaktionen auftreten, aber die Kupferteilchen sind nur schwach verankert, so dass rasches Sintern auftritt.Dies soll durch eine gezielt aufgebaute Grenzfläche gelöst werden. Zunächst wird auf Silica eine dünne Kohlenstoffschicht aufgebracht, wodurch Nebenreaktionen unterdrückt werden, dann werden Kupferteilchen abgeschieden. Eine thermische Behandlung in Wasserstoffatmosphäre führt zur lokalen Methanisierung des Kohlenstoffs, wodurch sich die Kupferteilchen bis zur Silicaoberfläche bewegen und dann dort verankert werden.Solche Katalysatoren können vermutlich nicht einfach regeniert werden, da bei oxidativer Behandlung die Kohlenstoffschicht oxidiert wird. Daher sollen zwei alternative nanostrukturierte Katalysatorsysteme untersucht werden. Dies ist zum einen SiC als Träger, dessen Oberfläche durch gezielte Behandlung mit verschiedenen Defekten versehen werden kann. An diesen Defekten kann Kupfer gut verankert werden, aufgrund der unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften im Vergleich zu Silica treten aber möglicherweise keine Nebenreaktionen auf. Das zweite System beruht auf jüngst erstmals hergestellten Arrays von Oxid-Nanoröhrchen. Diese können aus Zirconiumoxid hergestellt werden, wobei die Durchmesser etwa 3 nm sind. In diesen Röhrchen werden Kupferpartikel immobilisiert, wobei die geringen Durchmesser Sauerstoffatome in der Nähe der Kupferzentren gewährleisten, was mit guten Acetaldehydselektivitäten in Verbindung gebracht wird.Die Katalysatoren werden in der Ethanoldehydrierung hinsichtlich Aktivität und Selektivität charakterisiert, außerdem werden die Eigenschaften der Katalysatoren umfassend ex-situ und unter Reaktionsbedingungen charakterisiert, um die kontrollierten Grenzflächeneigenschaften mit den katalytischen Eigenschaften zu verknüpfen und die Katalysatoren weiter zu verbessern.Die Arbeiten richten sich zwar auf die Titelreaktion, die grundlegenden Konzepte, die entwickelt werden sollen, sind aber mit großer Wahrscheinlichkeit generalsierbar auf andere Systeme, so dass die Studie eine Blaupause zur wissensgestützten Entwicklung nanostrukturierter Katalysatoren liefern wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr. An-Hui Lu