Heterogen katalysierte Insertion von Kohlenstoffmonoxid in sauerstoffhaltige organische Verbindungen
Year: 2024
Type: dissertation
Abstract: Chemische Energiespeicher werden zukünftig eine immer größere Rolle spielen. Da batterieelektrische Mobilität vor allem im Flug– und Transportsektor an technologische Grenzen stößt, können flüssige Kraftstoffe mit einer hohen Energiedichte diese Sektoren auch in Zukunft klimaneutral versorgen. Solange flüssige Kraftstoffe erneuerbar hergestellt werden lässt sich der CO2-Fußabdruck dieser Sektoren reduzieren, der aufgrund o.g. Problematik seit Jahren stagniert bzw. sogar steigt. In dieser Arbeit sollen hauptsächlich effiziente Ansätze untersucht werden um Methanol, dass schon heute ein großvolumiges Produkt der chemischen Industrie darstellt mit Hilfe von Synthesegas effizient zu Oxygenaten umzusetzen, welche über eine höhere Energiedichte verfügen. Der Fokus wird dabei auf der Synthese von Oxygenaten liegen, die für den Dieselmotor geeignet sind. Hier stechen vor allem die Oxymethylenether als Stoffgruppe heraus, die den konventionellen Kraftstoffen ähneln, jedoch keine Kohlenstoff-Kohlenstoff Bindung aufweisen, sondern nur Kohlenstoff-Sauerstoff und Kohlenstoff-Wasserstoff Bindungen. Dies trägt maßgeblich zur Reduktion der Rußbildung bei der Verbrennung bei. Die Oxymethylenether (OME) können aus Methanol und verschiedensten Formaldehydquellen synthetisiert werden. Die etablierte Route ist die wässrige Route, da Einsatzstoffe schon heute im großen Maßstab hergestellt werden. Dort wird eine Formalin Lösung (37 % Formaldehyd Lösung in Wasser), welche ebenfalls aus Methanol durch eine oxidative Dehydrierung produziert wird, mit weiterem Methanol säurekatalytisch umgesetzt. Um sich das Abtrennen von größere Mengen Wasser zu sparen, wird ebenfalls an trockenen OME-Synthesen geforscht. Hier sind vor allem die Synthesen ausgehend von DME und verschiedensten Formaldehydquellen interessant. Die wichtigste Synthese wird mit Hilfe von DME und Trioxan (TRI) in der flüssigen Phase an einem Säurekatalysator realisiert. Diese Route bietet den großen Vorteil, dass kein Wasser vom Produkt abgetrennt werden muss. Da trotz alledem ausgehend vom Synthesegas eine hoher Exergieverlust, um vom Synthesegas über das Methanol, zum Formaldehyd und dann zu Trioxan und weiter zu den OME zu kommen, einhergeht, wird ebenfalls an einer direkten reduktiven Synthese von OME bzw. anderen interessanten Oxygenaten ausgehend von Synthesegas geforscht. Die Reduktion von Kohlenstoffmonoxid mit Wasserstoff zur Formaldehyd Oxidationsstufe ist eine thermodynamisch gehemmte Reaktion. Sie findet idealerweise bei geringen Temperaturen, hohen Drücken und in flüssiger Phase statt, um das hochreaktive Formaldehyd zu stabilisieren. In dieser Arbeit werden verschiedenste effiziente Ansätze untersucht, um eine Insertion von Synthesegas in Methanol und anderen Oxygenaten herbeizuführen. Dazu wird eine parallelisierte Anlage (PASCAR2020) zur Testung von einer Vielzahl von Katalysatoren aufgebaut, validiert und in Betrieb genommen. Idealerweise wird eine Insertion von Synthesegas (CO + H2), welches chemisch dem Formaldehyd (CH2O) entspricht, in vorhandene Oxygenaten erreicht. Dazu werden verschiedenste heterogene Katalysatoren die aus verschiedenen Edelmetallen wie Gold, Platin, Palladium oder Gold und Hydriermetallen wie Nickel und Cobalt zusammengesetzt sind auf verschiedenen aktiven und inerten Trägermaterialien immobilisiert. In dieser Arbeit wird die Synthese, Charakterisierung und Testung dieser Katalysatoren in Flüssigphasen-mediierten CO-Hydrierungen vorgestellt. Eine deutliche Aktivitätsdifferenz zwischen den Katalysatoren mit verschiedenen Metallen wurde beobachtet, welche auf verschiedene, in der flüssigen Phase ablaufenden Prozesse, zurückzuführen ist. Ebenfalls wurde eine große Produktpalette und viele Reaktionspfade die von den recht einfachen Edukten wie Methanol, Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff, Dimethylether und anderen Oxygenaten ausgehen beobachtet. Auch die Variation der Trägermaterialien führte zur Verschiebung der Produktivität und Änderung der Produktpalette.
Author: Sheikh, Kalim Ahmad
Language: German
Subfield: Catalysis
Field: Chemical Engineering
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W6931790578
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