Nicht-oxidative Dehydrierung (DH) von Propan und iso-Butan an unkonventionellen Katalysatoren auf Basis von ZrO2 oder TiO2: Aufklärung der Rolle von koordinativ ungesättigten Metallkationen

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Haijun Jiao; Professor Dr. Evgenii Kondratenko
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 339220402

Nicht-oxidative Dehydrierung (DH) von Propan und iso-Butan zu den entsprechenden Olefinen sind etablierte großtechnische Prozesse, die allerdings vor allem in der Entwicklung von Katalysatoren Herausforderungen haben, die Toxizität von Cr-Verbindungen und die hohen Kosten von Pt sind. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wird dieses Projekt sich mit der Entwicklung von umweltfreundlichen und kosteneffizienten Katalysatoren auf Basis von ZrO2 und TiO2 befassen. Im Gegensatz zu den üblichen geträgerten Katalysatoren sind die katalytisch aktiven Zentren hier Gitterdefekte auf der Oberfläche dieser Materialien. Sie sind koordinativ ungesättigte Metallkationen (Mecus = Zr oder Ti), die sich an Sauerstoff-Fehlstellen befinden. Die wichtigsten grundlegenden Fragen in diesem Projekt sind die Einflüsse des Hauptoxides (ZrO2 vs. TiO2) und des zusätzlichen Metalloxid-Promotors (z.B. K2O, La2O3 oder CeO2) auf (i) die Bildung der Oberflächen Mecus in den Hauptoxiden und (ii) die Aktivität, Langzeitstabilität und insbesondere die Selektivität (einschließlich Koksbildung) von Mecus in der DH von Propan und Isobutan. Die Alkane wurden aus fundamentalen und anwendungsorientierten Gründen gewählt. Im Vergleich zu Propan/Propen können Isobutan und Isobuten (das gewünschte Produkt) jeweils zu n-Butan bzw. linearen Butenen isomerisiert werden. Daher ist es wichtig zu klären, ob solche Isomere weitere Wege für die Bildung von Crackprodukten und Kohlenstoffablagerungen eröffnen können. Um die Grundlagen der Katalysatorwirkungsweise auf annährend elementarem Niveau zu verstehen, werden wir einem komplementären Ansatz folgen, der stationäre und instationäre katalytische Untersuchungen mit Operando Katalysatorcharakterisierung und Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen kombiniert. Insbesondere ist das Projekt fokussiert auf i) die Ableitung von Struktur-Reaktivitäts-Selektivitäts-Beziehungen, die entscheidende Faktoren für ein rationales Katalysatordesign sind, und ii) das Bereitstellen der Richtlinien für eine bezüglich der Selektivität optimale Produktion von Propen und Isobuten. Die abgeleiteten Kenntnisse würden es erlauben, die Effizienz der Funktionalisierung von Rohstoffen in Bezug auf die Schonung der natürlichen Ressourcen und auf die Verringerung der schädlichen Auswirkungen auf die Umwelt zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen