Untersuchung zweier heterogener Synthesewege zur nachhaltigen Methylformiatherstellung aus grünem Methanol
Year: 2025
Type: dissertation
Abstract: Die vorliegende Arbeit widmet sich der Entwicklung zweier heterogen katalysierter Synthesewege zur nachhaltigen Herstellung von Methylformiat (MF) aus grünem Methanol. Untersucht wurden die Carbonylierung von Methanol mit Kohlenmonoxid sowie die Dehydrierung von Methanol unter Freisetzung von Wasserstoff. Mit dem stark basischen Ionenaustauscher Amberlyst A26 konnte ein metallfreier, regenerierbarer und energieeffizienter Katalysator für die Carbonylierung identifiziert werden, der selbst bei der Nutzung regenerativ erzeugten Kohlenmonoxids hohe MF-Ausbeuten ermöglicht. Für die Dehydrierung erwies sich der Cu/SiO2-MgO-Katalysator als besonders effizient. Die gezielte Kombination von sauren und basischen Oberflächenzentren führte zu synergetischen Effekten, die sowohl die Aktivität als auch die Selektivität deutlich verbesserten. Die Ergebnisse belegen das hohe Potenzial beider Prozesse für eine nachhaltige Methylformiatsynthese und unterstreichen ihren Beitrag zu einer energieeffizienten, klimaneutralen Kraftstoff- und Chemikalienproduktion.:1. Einleitung 1 1.1 Methylformiat 4 1.2 Homogene Carbonylierung von Methanol 7 2. Heterogene Carbonylierung von Methanol 9 2.1 Screening basischer Katalysatoren 12 2.2 Ionenaustauscher als Katalysatoren-Reaktionsmechanismus 17 2.3 Experimentelle Versuchsplanung und Modellierung (DOE) 18 2.4 Orientierungsversuche 21 2.4.1 Variation des CO-Partialdrucks 22 2.4.2 Wahl der Temperaturgrenzen 25 2.4.3 Wahl der Zeitgrenzen 30 2.4.4 Variation des Wassergehalts 31 2.5 Modellbildung 34 2.5.1 Wahl und Erstellung des Versuchsplans 34 2.5.2 Relevanz der Einflussfaktoren und Modellerstellung 38 2.5.3 Interpretation der Modellgleichung 41 2.5.4 Optimum und Wiederverwendbarkeit der Katalysatoren 44 2.5.5 Expansion des Versuchsplans 46 2.6 Fazit Carbonylierung und Ausblick 50 3. Heterogene Dehydrierung von Methanol 52 3.1 Mechanismus 53 3.2 Untersuchte Trägermaterialien 55 3.3 Charakterisierung der Katalysatoren 58 3.3.1 Bestimmung der Katalysatorzusammensetzung (RFA) 59 3.3.2 Bestimmung der Phasenzusammensetzung (PXRD) 61 3.3.3 Bestimmung der spezifischen Oberfläche & Porosität (BET) 62 3.3.4 Bestimmung der sauren und basischen Zentren (NH3-und CO2-TPD) 63 3.3.5 Bestimmung der aktiven Kupfer-Spezies (XPS Analyse) 70 3.4 Katalytische Aktivität 73 3.4.1 Einfluss des Trägermaterials 73 3.4.2 Einfluss des Magnesiumoxidanteils 75 3.4.3 Relevanz der Kupferimprägnierung 77 3.4.4 Einfluss von Wasser 80 3.5 Fazit Dehydrierung 82 4. Zusammenfassung und Ausblick 85 5. Experimenteller Teil 89 5.1 Materialien und Chemikalien 89 5.2 Analysengeräte und Software 90 5.3 Carbonylierungsreaktion 91 5.3.1 Herstellung Methanollösungen mit definiertem Wassergehalt 92 5.3.2 Aktivierung der Anionenaustauscher 92 5.3.3 Analyse Flüssigphase 92 5.3.4 Kapazitätsbestimmung der Ionenaustauscher 92 5.3.5 Analyse Gasphase 92 5.3.6 Analyse Wassergehalt 93 5.3.7 Test der thermischen Stabilität des Ionenaustauschers A26 93 5.3.8 N2-Physisorption 94 5.3.9 Statistischer Versuchsplan 94 5.3.10 Berechnung des thermodynamischen Gleichgewichtes 94 5.4 Dehydrierungsreaktion 96 5.4.1 Katalysatorsynthese 96 5.4.2 Analyse der Gasphase 97 5.4.3 Analyse der Flüssigphase 97 5.4.4 Kohlenstoffbilanzierung 97 5.4.5 Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) 99 5.4.6 Röntgenpulverdiffraktometrie (PXRD) 99 5.4.7 Temperaturprogrammierte NH3-Desorption (NH3-TPD) 100 5.4.8 Temperaturprogrammierte CO2-Desorption (CO2-TPD) 100 5.4.9 Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) 101 6. Literaturverzeichnis 102 7. Anhang 113
Author: Beckmann, Luise
Language: German
Subfield: Catalysis
Field: Chemical Engineering
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W7138828845