High-Output Catalyst Development Platform
Final Report Abstract
Hochdurchsatz-Screening von homogenen und heterogenen Katalysatoren ist zu einem grundlegenden Tool in der Entwicklung von Katalysatoren geworden. Gerade in frühen Generationen des Katalysatordesigns ist es dabei wichtig, auch „Zufallstreffer“ zu erfassen. Neben diesem Screening von Katalysatoren, die in den Bereichen Abgaskatalyse, energierelevante Katalyse und Feinchemie (u.a. in innovativen Reaktionsmedien) Anwendung finden, wird die roboterkontrollierte Synthese auch zur Etablierung von Struktur-Wirkungs-Mechanismen verwendet. Dabei handelt es sich vor allem um die Aufstellung von Zusammenhängen zwischen Präparation (z.B. Einstellung des pH-Wertes, Temperatur, Alterungszeit, etc.), katalytischen Eigenschaften und der Struktur. Dafür ist eine hohe Präzision während der Synthese durch roboterkontrollierter Synthese wie auch eine hohe Reproduzierbarkeit und Rückverfolgbarkeit wichtig, die durch die High-Output-Katalysator-Entwicklungsplattform erreicht werden kann. Die vorliegende Anlage erlaubt eine vollautomatisierte Roboteransteuerung von folgenden Prozessschritten: Imprägnierung, pH- kontrollierte Fällung, Co-Fällung, hydrothermale und solvothermale Synthese, pH-kontrollierter Ionenaustausch, Filtrierung und Trocknung unter Vakuum. Die pH-kontrollierte Fällung und hydrothermale Synthese können dabei weiterhin in speziellen Autoklaven durchgeführt werden. Weiterhin können ein Teil der Synthese-Reaktoren zusätzlich für paralleles Screening von Flüssigphasenreaktionen genutzt werden. In den ersten Jahren der Inbetriebnahme wurde das Gerät insbesondere für die Katalysatorsynthese in der Abgasnachbehandlung genutzt. Die Abgasnachbehandlung im Arbeitskreis Grunwaldt umfassen CO- und NO-Oxidation (Dieseloxidationskatalysatoren), Methanoxidation, Rußoxidation und die selektive katalytische Reduktion von NOx. Im AK Grunwaldt werden dabei neben anderen Verfahren Imprägnierung, Fällung und Ionenaustausch zur Herstellung geträgerter Heterogenkatalysatoren angewendet. Die vorliegende Plattform zur High-Output-Präparation erlaubt es, diese Prozessschritte inklusive Filtration und Trocknung automatisch durchzuführen und dient somit als wertvolles Gerät für eine komplementäre Herstellung und hat auf diese Weise wichtige Beiträge sowohl in der wissenschaftlichen Forschung als auch der Ausbildung geleistet. Für den Einsatz als DeNOx-Katalysatoren wurden zeolithbasierte Trägermaterialien durch Ionenaustausch mit Cu-Atomen dotiert. Dazu wurden Zeolite wie SSZ-13 vorgelegt. Die Katalysatoren zeichnen sich durch eine hohe katalytische Aktivität bei der selektiven katalytischen Reduktion von NOx mit Ammoniak aus. Diese wurden mit klassisch hergestellten Katalysatoren über Imprägnierung und Ionenaustausch verglichen. Diese Katalysatoren wurden spektroskopisch, auch mit operando-Methoden, eingehend untersucht. Weiterhin wurde Trockenimprägnierung beispielsweise verwendet, um definierte Mengen an Edelmetallen (insbesondere Pt, Pd) auf CeO2 und Al2O3 aufzutragen. Die hergestellten mono- und bimetallischen Katalysatoren werden als Oxidationskatalysatoren für die Abgasnachbehandlung von Diesel- und Gasmotoren eingesetzt, um den Ausstoß von CO, NO und CH4 zu senken. Wichtige Präparationsparameter wie Konzentrationen und verschiedene Precursoren wurden dabei gezielt variiert. Die Katalysatoren dienen als Vergleich für Katalysatoren, die mittels weiterer attraktiver Methoden wie Flammenspraypyrolyse, Abscheidung aus überkritischen Fluiden oder Edelmetallen in Hohlkugeln hergestellt wurden. Weiterhin wurden neben Edelmetall-Katalysatoren auch edelmetallfreie Systeme untersucht. In einem weiteren Bereich wurden Katalysatoren zur Gewinnung von Plattformmolekülen aus nachwachsenden Rohstoffen präpariert, insbesondere Katalysatoren für die Hydrierung von Lävulinsäure zu γ-Valerolacton. Dabei zeigte sich in Voruntersuchungen, dass Ni-basierte Katalysatoren attraktive Alternativen für Edelmetallbasierte Katalysatoren sind. Hierzu wurde Ni mittels pH-induzierte Fällung auf das Trägermaterial Al2O3 aufgetragen und eine Korrelation zwischen Ni-Beladung und katalytischer Aktivität erstellt. Im nächsten Schritt werden derzeit bimetallische Katalysatoren untersucht.
Publications
- "High Output Catalyst Development in Heterogeneous Gas Phase Catalysis" in: Modern Applications of High Throughput R&D in Heterogeneous Catalysis, 2014, 357-371
W. Kleist, J.-D. Grunwaldt
