Ein STM-Projekt zur Überwindung der verbliebenen Drucklücke bei der Fischer-Tropsch-Synthese

• Antragsteller: Professor Dr. Joost Wintterlin
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 552794718

Trotz erheblicher Fortschritte beim Einsatz von Oberflächenmethoden zur Überbrückung der Drucklücke der heterogenen Katalyse werden experimentelle Untersuchungen vielfach unter Restriktionen durchgeführt, insbesondere bei einkristallinen Modellkatalysatoren. Drücke sind meist niedriger als 1 bar, oft werden einfache Modellreaktionen behandelt, und es gibt nicht viele Fälle, bei denen der katalytische Umsatz im Sinne eines "Operando"-Experiments gemessen wird. Wir schlagen hier ein Projekt vor, das die verbliebenen Restriktionen für die Co-katalysierte Fischer-Tropsch-Reaktion überwinden soll, die industriell angewandte Synthese von Kohlenwasserstoffen aus H2/CO-Mischungen (Syngas). Der Antrag beruht auf einem früheren Rastertunnelmikroskopie (STM)-Projekt, bei dem Co-Einkristalloberflächen bei Syngas-Drücken von ~1 bar und Temperaturen von ~500 K mit atomarer Auflösung abgebildet wurden, und parallel mit einem speziellen Gaschromatographen (GC) Fischer-Tropsch-Produkte nachgewiesen wurden. Damaliges Ziel war der Nachweis eines Drucklücken-Effekts, einer vorhergesagten Oberflächenaufrauhung durch die Bildung von Co-Inseln, mit der sich die Aktivität geträgerter Co-Katalysatoren erklären ließ. Unsere Experimente zeigten, dass dieser Effekt unter den angewandten Bedingungen nicht existiert. Es stellt sich daher die Frage, ob die Interpretation früherer Daten auf einem Irrtum beruhte, oder ob der maximale Syngas-Druck von ~1 bar in unseren Experimenten zu niedrig war. Es gibt einige Hinweise, dass sich der Zustand der Oberfläche zwischen ~1 and 4 - 5 bar tatsächlich ändert. Wir beantragen, diese Frage im Rahmen eines Operando-STM-Projekts bei höherem Druck zu klären. Zu diesem Zweck sollen die Komponenten des aktuellen STM-Aufbaus, die nicht stabil gegen einen inneren Überdruck sind, ersetzt werden. Weiterhin soll mit einem Umpumpverfahren eine ausreichende Gasmischung erreicht werden. Eine bereits identifizierte Ni-Tetracarbonyl-Quelle, die zu einer erhöhten Ni-Verunreinigung führen kann, soll beseitigt werden. Mit diesen Änderungen sollen STM-Experimente bei Syngas-Drücken von 4 - 5 bar und Temperaturen von ~500 K durchgeführt werden. Wenn die erwähnten Hinweise valide sind, wäre es für den Nachweis von Drucklücken-Effekten nicht nötig, den Druck auf industrielle Werte von 20 - 40 bar zu erhöhen. Es ist zu erwarten, dass Drucklücken-Effekte, die unter den gewählten Bedingungen auftreten, z.B. die erwähnte Aufrauhung oder die Bildung eines Carbids, mit atomarer Auflösung abgebildet werden. Durch den Produktnachweis per GC können alle charakteristischen Parameter der Fischer-Tropsch-Synthese, die Gesamtaktivität, die Kettenwachstumsgeschwindigkeit und das Olefin-zu-Paraffin-Verhältnis, mit dem Zustand der Oberfläche korreliert werden. Eine nachgelagerte Oberflächenanalyse erfolgt per Röntgenphotoelektronenspektroskopie. Das Projekt bietet die Chance, die verbliebene Drucklücke für einen realen industriellen Prozess zu überwinden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen