Mechanismus der Aktivierung und Aromatisierung kurzkettiger Alkane an Zink-modifizierten Zeolith-Katalysatoren

• Antragsteller: Professor Dr. Jürgen Haase
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405567845

Kurzkettige Alkane befinden sich im Rohöl und Erdgas und können mit Hilfe von Zeolith-Katalysatoren in Gemische von aromatischen Kohlenwasserstoffen (z.B. Toluene, Xylene) gewandelt werden und finden dann breite Verwendung in der petrolchemischen Industrie bei der Synthese hochwertigerer Verbindungen oder zur Verbesserung von Motor-Treibstoffen. Zeolith-Modifikationen mit Metallen erhöhen die Effizienz der Umwandlung in Aromaten. Zink-modifizierte Zeolithe enthalten gewöhnlich neben den sauren Brønsted-Zentren unterschiedliche Zn-Spezies wie Zn2+-Kationen oder Zinkoxid-Spezies unterschiedlicher Abmessungen, und können sich an verschiedenen Positionen bezüglich der Zeolith-Poren befinden. Die spezielle Wirkungsweise dieser unterschiedlichen Spezies bei der primären Aktivierung der Alkane und bei der folgenden Aromatisierung ist noch unklar.Im Projekt werden zielgerichtete Synthesen von ZSM-5- oder BEA-Zeolithen durchgeführt, die ausschließlich einen Typ von Zink-Spezies in ihren Poren haben, entweder Zn2+-Kationen oder kleine Zinkoxide-Spezies (ZnO) mit Abmessungen von etwa 1 nm. Untersuchungen an diesen Materialien sollen Unterschiede im Mechanismus der Aktivierung und Aromatisierung von C2−C4-Alkanen mittels Zn2+- oder ZnO-Spezies aufzeigen. Damit kann geklärt werden welche speziellen Zentren, Kationen oder ZnO-Spezies, eine effektivere Umwandlung kurzkettiger Alkane in Aromaten katalysieren.In situ 13C MAS NMR, 1H MAS NMR und 67Zn MAS NMR (Einzel- und Doppelresonanz) werden benutzt um z.B. folgende Projektziele zu erreichen:1. Aufklärung der Beiträge der Brønsted-Zentren und Zink-Spezies bei der Aktivierung der C-H-Bindungen der Alkane. Gibt es eine bevorzugte Aktivierung der C-H-Bindungen in bestimmten Fragmenten der kurzkettigen Alkane (CH2- oder CH3-Gruppen im Fall von Propan), oder werden die C-H-Bindungen in beiden Fragmenten gleichzeitig aktiviert?2. Aufklärung der synergistischen Wirkung von Brønsted-Zentren und Zink-Spezies bei der Aktivierung.3. Identifizierung von primären Intermediaten, die durch die Wechselwirkung von Alkanen mit Zink-Spezies gebildet werden. Bestimmung der Struktur der Intermediate für Zn2+- und ZnO-Zeolithe.4. Analyse der Evolution primärer Intermediate in sekundäre Intermediate, und Umformung in aromatische Produkte.5. Analyse der Transformation von Olefinen, um Intermediate zu identifizieren, die direkt von den Olefinen zu den Aromaten führen.Die erhaltenen Grundlagen-Erkenntnisse sollen es ermöglichen, die Rolle der unterschiedlichen Zn-Spezies und Brønsted-Zentren bei der Aktivierung der einzelnen C-H-Bindungen der Alkane und der Aromatisierung an Zeolith-Katalysatoren aufzuklären. Dieses Wissen ist eine Basis für die Verbesserung von Design und Prozessführung heterogen-katalysierter Aromatisierung kurzkettiger Alkane an Zink-modifizierten Zeolithen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Science Foundation
• Kooperationspartner: Professor Dr. Alexander G. Stepanov