Transiente Resonanz-Raman-Spektroskopie zur mechanistischen Aufklärung der CO2-unterstützten Propan-Dehydrierung

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Hess
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391411491

Um der globalen Erderwärmung entgegenzuwirken, ist es von größter Dringlichkeit, erzeugtes CO2 dauerhaft in einen geschlossenen CO2-Kreislauf aufzunehmen. Die Kopplung der CO2-Reduktion mit der Propan-Dehydrierung zur Herstellung von Propylen, einem dem wichtigsten Ausgangsstoffe der chemischen Industrie, hat großes Anwendungspotential, da CO2 die Überoxidation des Produktes verringert, das Reaktionsgleichgewicht auf die Produktseite verschiebt und während der Reaktion in CO, eine zentrale Plattformchemikalie, die derzeit über die Reformierung von fossilem Methan erzeugt wird, umgewandelt wird. Getragene Vanadiumoxide gehören zu den aktivsten Katalysatoren für die CO2-unterstützte oxidative Propan-Dehydrierung, aber ein grundlegendes Verständnis ihrer Funktionsweise (Struktur-Wirkungs-Beziehungen) steht noch aus und behindert deren Weiterentwicklung in Richtung eines kommerziellen Prozesses. Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist es, die in dem ersten Förderzeitraum etablierten spektroskopischen Methoden weiterzuentwickeln und unter Arbeitsbedingungen anzuwenden, um grundlegend neue Einblicke in die Funktionsweise von getragenen Vanadiumoxidkatalysatoren in der CO2-unterstützten oxidativen Propan-Dehydrierung zu erlangen. In diesem Zusammenhang wird neben der direkten CO2-Reduktion durch Propan auch der indirekte Reaktionspfad über die Propan-Dehydrierung und anschließende reverse Wassergas-Shift-Reaktion untersucht. Hinsichtlich der Methodik liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung und Anwendung der transienten Raman-Spektroskopie (Raman-Modulations-Anregungs-Spektroskopie, MAS), welche auch bei erhöhten Temperaturen (550-600°C) einen Zugang zu aktiv an der Reaktion beteiligten Spezies ermöglicht, und zu einer operando Methodik (operando Raman-MAS) ausgebaut werden soll. Die Katalysatorcharakterisierung wird durch weitere Methoden (UV-Vis-, IR-, Photoelektronen-Spektroskopie, Röntgenbeugung) unterstützt, welche unter (quasi) in situ bzw. operando Bedingungen den Einfluss der Reaktion auf die Oberfläche bzw. das Volumen näher untersuchen. Ein Schwerpunkt des Forschungsvorhabens liegt auf der Analyse der aktiven Vanadium-oxid-Struktur(en) unter Arbeitsbedingungen sowie deren Korrelation mit den katalytischen Eigenschaften (Aktivität, Selektivität, Stabilität). Die strukturelle Charakterisierung schließt neben der Dynamik der Oberfläche insbesondere auch die Defektdynamik mit ein, welche für die Kinetik der Reoxidation durch CO2 eine entscheidende Rolle spielt. In diesem Zusammenhang soll auch die Rolle des Trägermaterials im Detail untersucht werden. Die Anwendung der transienten Raman-Spektroskopie unter Reaktionsbedingungen lässt grundlegend neue mechanistische Erkenntnisse für die CO2-unterstützte oxidative Propan-Dehydrierung, welche erhöhte Temperaturen von 550-600°C benötigt und daher nicht mit transienter IR-Spektroskopie untersucht werden kann, erwarten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen