Surface dynamics of reducible-oxide promoted inverse Ni and Cu catalysts: New concepts for CO2-hydrogenation

• Antragsteller: Professor Dr. Malte Behrens; Professor Dr. Jan-Dierk Grunwaldt; Professor Dr. Felix Studt
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406903668

Die Promotierung von metallischen Hydrierungskatalysatoren durch Oxide spielt eine große Rolle für die Aktivierung und Umsetzung von CO2. Ausgehend vom industriell angewandten Cu/ZnO-Katalysator soll dieser Ansatz in diesem Projekt konzeptionell erweitert werden, um ihn grundlegend besser zu verstehen und sein Potenzial voll auszuschöpfen. Hierbei stehen die Oberflächendynamik von „inversen“ Metalloxid/Übergangsmetall-Katalysatoren unter CO2-Hydrierungsbedingungen im Fokus. Der inverse Charakter der untersuchten Katalysatoren ermöglicht neue Einblicke in das dynamische Zusammenspiel von reduzierbaren Metalloxiden und der Oberfläche von Übergangsmetallen. Dies wird erreicht, indem ein redox-inerter Träger die Übergangsmetallpartikel stabilisiert und die Metalloxidkomponente auf deren Oberfläche abgeschieden. Dieser Ansatz wurde bereits in der ersten Förderperiode des SPP2080 anhand von MgO-geträgerten ZnOx/Cu-Katalysatoren erfolgreich erprobt. Ziel dieses Projects ist die Vertiefung dieses Wissens und die Übertragung auf Ni als neues Übergangsmetall und Ga2O3 als neues reduzierbares Oxid. So ergeben sich die Kombinationen der vier Metalloxid/Übergangsmetall (MO/TM) Katalysatoren ZnOx/Cu, GaOx/Cu, ZnOx/Ni und GaOx/Ni. Wichtig ist, dass alle vier Systeme unter reduzierenden Bedingungen Legierungen oder intermetallische Verbindungen bilden können, sich jedoch in der Bildungswärme der Legierung/intermetallischen Verbindung sowie der Reduzierbarkeit des Metalloxids unterscheiden und somit eine geeignete Materialbasis bilden, um unsere in der ersten Förderperiode gewonnenen Erkenntnisse über das ZnOx/Cu-System systematisch zu untersuchen und zu verallgemeinern. In der ersten Förderperiode des SPP2080 wurde bei dem ZnOx/Cu-System eingehend untersucht, inwieweit sich Oberflächenlegierungen bilden. Die damit verbundene Dynamik wurde durch gezielte Synthese von ZnOx/Cu Katalysatoren auf MgO-Trägern, operando-Röntgenspektroskopie und theoretische Modellierung aufgeklärt. Die Übertragung auf neue Materialien ermöglicht nun die Vision, ein tiefes und umfassendes Verständnis der Dynamik und des damit verbundenen katalytischen Verhaltens dieser inversen Metalloxid/Übergangsmetall-Katalysatoren zu entwickeln, um diese Grenzflächenphänomene gezielt für eine Verbesserung der Aktivität und Selektivität in der Hydrierung von CO2 auszunutzen. So soll zum allgemeinen Verständnis der Dynamik von solchen MO/TM-Katalysatoren beigetragen und ihre Oberflächenstruktur durch Reaktionsbedingungen gesteuert werden. Diese Erkenntnisse werden sowohl in der industriell wichtigen Methanolsynthese, als auch allgemein für die CO2-Hydrierungsreaktionen unter dynamischen Bedingungen eingesetzt.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2080: Katalysatoren und Reaktoren unter dynamischen Betriebsbedingungen für die Energiespeicherung und -wandlung