{"id":77076,"date":"2020-08-04T06:55:20","date_gmt":"2020-08-04T04:55:20","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=77076"},"modified":"2021-09-09T21:17:14","modified_gmt":"2021-09-09T19:17:14","slug":"massgeschneiderte-katalysatoren-fuer-power-to-x","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/massgeschneiderte-katalysatoren-fuer-power-to-x\/","title":{"rendered":"Ma\u00dfgeschneiderte Katalysatoren f\u00fcr Power-to-X"},"content":{"rendered":"

F\u00fcr effiziente Power-to-X-Prozesse sind geeignete Katalysatoren von gro\u00dfer Bedeutung \u2013 die molekularen Vorg\u00e4nge bei ihrem Gebrauch wurden bislang aber nicht vollst\u00e4ndig verstanden. Mithilfe von R\u00f6ntgenstrahlung aus einem Synchrotron beobachteten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Karlsruher Instituts f\u00fcr Technologie (KIT) nun erstmals einen Katalysator w\u00e4hrend der Fischer-Tropsch-Reaktion zur Produktion von synthetischen Kraftstoffen unter industriellen Bedingungen. Auf Basis der Untersuchungsergebnisse sollen ma\u00dfgeschneiderte Power-to-X-Katalysatoren entwickelt werden. Die Ergebnisse hat das Team in der Fachzeitschrift Reaction & Chemical Engineering ver\u00f6ffentlicht. (DOI: 10.1039\/c9re00493a)<\/strong><\/p>\n

\"Versuchsaufbau
Versuchsaufbau inklusive Hochdruckzelle zur Fischer-Tropsch Messkampagne an der CAT-ACT Messlinie am KIT Synchrotron. (Foto: Tiziana Carambia)<\/figcaption><\/figure>\n

Auf dem Weg in die CO2<\/sub>-neutrale Gesellschaft unterst\u00fctzen Power-to-X-Prozesse (P2X), also Verfahren zur Umwandlung von erneuerbarer Energie in chemische Energietr\u00e4ger, bei der Verzahnung unterschiedlicher Sektoren. Aus Wind- oder Sonnenstrom k\u00f6nnen etwa synthetische Kraftstoffe hergestellt werden, die klimafreundliche Mobilit\u00e4t und G\u00fctertransporte ohne zus\u00e4tzliche Treibhausgasemissionen erm\u00f6glichen. Die daf\u00fcr unter anderem notwendige Fischer-Tropsch-Synthese (FTS), bei der aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff die langkettigen Kohlenwasserstoffe f\u00fcr die Produktion von Benzin oder Diesel gewonnen werden, ist ein etabliertes Verfahren der chemischen Industrie. Allerdings sind die dabei ablaufenden Prozesse auch \u00fcber hundert Jahre nach ihrer Entdeckung wissenschaftlich nicht vollst\u00e4ndig verstanden: \u201eDas betrifft vor allem die strukturellen Ver\u00e4nderungen der f\u00fcr den Prozess notwendigen Katalysatoren unter industriellen Bedingungen\u201c, sagt Professor Jan-Dierk Grunwaldt vom Institut f\u00fcr Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) des KIT. \u201eW\u00e4hrend der Reaktion k\u00f6nnen sich unerw\u00fcnschte Nebenprodukte bilden oder es kann zu st\u00f6renden strukturellen \u00c4nderungen des Katalysators kommen. In welcher Form das w\u00e4hrend der Reaktion genau geschieht und welche Auswirkungen das auf den Gesamtprozess hat, wurde bislang nicht ausreichend erkl\u00e4rt.\u201c<\/p>\n

In einem transdisziplin\u00e4ren Projekt, gemeinsam mit P2X-Expertinnen und Experten aus dem Institut f\u00fcr Mikroverfahrenstechnik (IMVT) und dem Institut f\u00fcr Katalyseforschung und -technologie (IKFT) des KIT, ist dem Team nun ein Durchbruch beim Verst\u00e4ndnis der FTS auf atomarer Ebene gelungen. \u201eBei der Untersuchung nutzen wir Methoden der Synchrotronforschung, n\u00e4mlich die R\u00f6ntgenabsorptionsspektroskopie und die R\u00f6ntgenbeugung\u201c, sagt Marc-Andr\u00e9e Serrer (IKFT), einer der Autoren der Studie. \u201eDamit konnten wir erstmals einem FTS-Katalysator quasi auf atomarer Ebene unter realen Prozessbedingungen bei der Arbeit zusehen.\u201c Zwar wurden katalytische Reaktionen bereits zuvor mit einem Synchrotron \u2013 einem speziellen Teilchenbeschleuniger zur Erzeugung von besonders intensiver R\u00f6ntgenstrahlung untersucht. Aber Reaktionen, die wie im Realbetrieb einer P2X-Anlage \u00fcber einen l\u00e4ngeren Zeitraum sowie unter hohen Temperaturen und Dr\u00fccken stattfinden, stellten bislang eine H\u00fcrde dar. F\u00fcr das Experiment am KIT wurde nun eine neuartige Hochdruck-Infrastruktur an der f\u00fcr Katalysatorstudien designierten CAT-ACT-Messlinie (CATalysis und ACTinide Messlinie) am Synchrotron des KIT aufgebaut. Mit dieser Infrastruktur, die als Teil der Kopernikus-Projekte der Bundesregierung zur Energiewende entstanden ist, konnte die Arbeitsweise eines kommerziellen Kobalt-Nickel-Katalysators bei realit\u00e4tsnahen Reaktionsbedingungen von 250 Grad Celsius bei 30 bar Druck f\u00fcr mehr als 300 Stunden bei der FTS bestimmt werden. Dabei wurden, ebenfalls zum ersten Mal bei einem solchen Experiment, gen\u00fcgend Kohlenwasserstoffe produziert, um diese anschlie\u00dfend zu analysieren.<\/p>\n

Katalysatorentwicklung mit dem Computer<\/h3>\n

Mit dem Experiment konnten Kohlenwasserstoffablagerungen identifiziert werden, die eine Diffusion der reaktiven Gase zu den aktiven Katalysatorpartikeln erschweren. \u201eIm n\u00e4chsten Schritt kann dieses Wissen dazu verwendet werden, den Katalysator speziell gegen diese Deaktivierungsmechanismen zu sch\u00fctzen\u201c, sagt Grunwaldt. \u201eDas geschieht etwa durch die Modifikation mit Promotoren, also Stoffen, welche die Eigenschaften des Katalysators verbessern.\u201c Perspektivisch soll das neuartige atomare Verst\u00e4ndnis von katalytischen Reaktionen auch Computersimulationen zur schnellen, ressourcenschonenden und kosteng\u00fcnstigen Entwicklung von ma\u00dfgeschneiderten Katalysatoren f\u00fcr P2X-Prozesse erm\u00f6glichen.<\/p>\n

Originalpublikation:<\/h3>\n

Loewert, M., Serrer, M.-A., Carambia, T., Stehle, M., Zimina, A., Kalz, K. F., Lichtenberg, H., Sara\u00e7i, E., Pfeifer, P., & Grunwaldt, J.-D. (2020). Bridging the gap between industry and synchrotron: an operando study at 30 bar over 300 h during Fischer\u2013Tropsch synthesis. Reaction Chemistry & Engineering, 5(6), 1071\u20131082. https:\/\/doi.org\/10.1039\/c9re00493a<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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