Nanostrukturierte Kern-Schale-Katalysatoren für die Fischer-Tropsch-Synsthese

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Robert Güttel
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Technische Chemie
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 220290101

• Erstellungsjahr: 2017

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Ziel des Projekts ist die Herstellung und Charakterisierung von bi-funktionalen, nanostrukturierten Katalysatoren für die Kombination von Fischer-Tropsch (FT) Synthese und FT-Produktaufarbeitung (FTPA) in einzelnen Katalysatorpartikeln. Dafür sollen katalytisch bi-funktionale Kompositmaterialien hergestellt werden, die aus metallischen Cobalt-Nanopartikeln bestehen, welche vollständig von einer zeolithischen Matrix eingeschlossen sind. Die Partikelgröße des Kompositmaterials soll ca. 1 µm nicht überschreiten, so dass das Material als nanostrukturiert bezeichnet werden kann und flexibel in konventionellen und mikrostrukturierten Reaktoren einsetzbar ist. Die katalytische Bi- Funktionalität soll anhand von Umsatz, Selektivität und Produktverteilung unter für die FT-Synthese typischen Bedingungen überprüft werden. Es soll außerdem untersucht werden, inwieweit sich die Materialeigenschaften auf die katalytischen Ergebnisse auswirken. Das Projekt ist entsprechend in zwei Hauptbestandteile gegliedert: die Synthese der neuartigen Materialien sowie deren reaktionstechnische Charakterisierung. Die Herstellung der nanostrukturierten Katalysatoren basiert auf einer schrittweisen bottom-up-Strategie. Es wird mit der Synthese von Co3O4-Nanopartikeln begonnen, die in einem darauffolgenden Schritt in eine Hülle aus mesoporösem SiO2 eingebettet werden. In einem weiteren Schritt dient das SiO2 als Si-Quelle für die Zeolithsynthese zur Einbettung separierter Co3O4-Kerne in eine zeolithische Matrix. Dieser neuartige Ansatz erlaubt prinzipiell ein Höchstmaß an Kontrollierbarkeit der Morphologie der Zielmaterialien. Die wesentliche Herausforderung besteht allerdings in der geringen charakteristischen Dimension dieser neuen Kompositmaterialien. Die Ergebnisse zeigen, dass Co3O4-Nanopartikel mit der Synthesestrategie grundsätzlich in eine zeolithische Matrix eingebettet werden können. Bisher wurde, trotz breiter Variationen in der Rezeptur, ein Einbettungsgrad von über 50 % nicht erreicht. Allerdings konnte gezeigt werden, dass die Größe der Co3O4-Nanopartikel, das Si/Al-Verhältnis der Zeolithmatrix sowie deren Porenstruktur variiert werden kann. Die katalytischen Eigenschaften wurden unter typischen Reaktionsbedingungen für die FT Synthese und Temperaturen bis 250 °C durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die Materialien sowohl in der FT Synthese, als auch in der FTPA aktiv sind. Letzteres wird anhand des erhöhten Anteils von nicht-n-Alkanen im Produktspektrum deutlich, wenn Zeolithe mit sauren Zentren eingesetzt werden. Darüber hinaus konnte eine ungewöhnliche Stabilität der Katalysatoren unter FT-Bedingungen beobachtet werden. Das Konzept des Projektes konnte somit erfolgreich demonstriert werden. Weiterführende Arbeiten zur gezielten Einstellung der Materialeigenschaften werden voraussichtlich erlauben, das Produktspektrum der kombinierten FT/FTPA maßzuschneidern. Die wesentliche Herausforderung wird im Design und der Synthese der Materialien bestehen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2014). Nanostructured Cobalt@Zeolite Catalysts for Fischer-Tropsch Synthesis. Jahrestreffen Deutscher Katalytiker, Weimar (Poster-Preis)
  Kruse, N., Machoke, A., Schwieger, W., Güttel, R.
  
• (2015). Micro/Macroporous System: MFI- type zeolite crystals with embedded macropores. Advanced Materials 27 (6) 1066– 1070
  Machoke, A. G., Beltrán, A. M., Inayat, A., Winter, B., Weissenberger, T., Kruse, N., Güttel, R., Spiecker, E., Schwieger, W.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adma.201404493)
• (2015). Nanostructured Encapsulated Catalysts for Combination of Fischer-Tropsch Synthesis and Hydroprocessing. ChemCatChem 7 (6) 1018-1022
  Kruse, N., Machoke, A. G., Schwieger, W., Güttel, R.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/cctc.201403004)
• (2015). Structuring of Reactors and Catalysts on Multiple Scales: Potential and Limitations for Fischer-Tropsch Synthesis as Example. Chemie Ingenieur Technik 87 (6) 694–701
  Güttel, R.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/cite.201400107)
• (2017). Fischer-Tropsch Synthesis and Catalytic Cracking in Combination – Bifunctional Nanostructured Cobalt@Zeolite Catalysts. Jahrestreffen Reaktionstechnik, Würzburg
  Kruse, N., Straß, A., Machoke, A., Schwieger, W., Güttel, R.
  
• (2017). Nanostructured Cobalt@Zeolite Catalysts for Fischer-Tropsch Synthesis. Jahrestreffen Deutscher Katalytiker, Weimar
  Kruse, N., Straß, A., Machoke, A., Schwieger, W., Güttel, R.