Projekt

Ziel des Vorhabens ist es, Katalysatoren für die Methanolsynthese hinsichtlich ihres Umsatzes, ihrer Stabilität und ihrer Selektivität zu verbessern. Das Projekt liefert Ergebnisse über mikrostrukturelle Eigenschaften sowie Synthesevorschriften und -bedingungen von Cu/Zn/Al-Katalysatoren. Damit tragen die Ergebnisse dazu bei, nachwachsende Rohstoffe wie z.B. Bio- oder Synthesegas effizienter zu nutzen.

Methanol kann Erdöl als Energieträger und petrochemischer Rohstoff ersetzen. Es kann beispielsweise  aus Natur-, Erd- oder biogenem Synthesegas (CO/H2), wie es bei der Vergasung von Abfallprodukten anfällt, synthetisiert werden. Methanol ist dann als Energieträger in Brennstoffzellen einsetzbar. Ziel des vorliegenden Projekts war es, Cu/Zn/Al-Katalysatoren für die Methanolynthese zu entwickeln und im Hinblick auf den Umsatz, die Selektivität sowie Stabilität bei verminderter Reaktionstemperatur zu verbessern. Hierfür wurden sieben Cu/Zn/Al-Proben auf für die Katalyse wichtige Eigenschaften untersucht. Dabei sollten die Syntheseparameter der Nitrat-basierten Synthese (gemischte Metallnitratlösung für die Kofällung) sowie die der Formiat-basierten Synthese (Formiatlösung für die Kofällung) zur Herstellung von Katalysatoren optimiert werden. Die sequenzielle Fällung von Cu/Zn/Al-Ausgangsprodukten wurde mit Hilfe der Variation der Fällungsabfolge untersucht.

Die Verbesserung der Katalysatoren soll eine kostendeckende Nutzung von Erdgas und Biomasse ermöglichen und Innovationen im Bereich Kraftstoffe und Brennstoffzellen anstoßen.

Ergebnisse:

• Die hohe Aktivität einzelner Katalysatorproben ist auf deren spezielle Mikrostruktur zurückzuführen; poröse Aggregate von Kupfer und Oxidnanopartikel, die in der malachitartigen Vorstufe der Katalysatoren entstehen, führen zu Gitterverspannungen und hohen Defektdichten und wirken sich positiv auf die Aktivität aus.  
• Für die Synthese der Katalysatoren auf Nitratbasis eignet sich eine Temperatur von 60-70°C und pH 6-7 für die Fällung und Alterung besonders gut. Eine Synthesevorschrift konnte an einem automatischen Laborreaktorsystem reproduzierbar umgesetzt werden.
• Bei der Nitrat-basierten Synthese führt ein Cu:Zn:Al-Verhältnis von 86:29:3 zu den höchsten Substitutionsgraden (Einbau von Aluminium) in der Malachitvorstufe. So wird Aluminium sehr homogen im resultierenden Katalysator verteilt. Ein Einsatz höherer Al-Gehalte ist für den gewünscht hohen Substitutionsgrad schädlich.  
• Die untersuchten Formiat-basierten Proben sind hinsichtlich ihrer Aktivität den meisten Nitrat-basierten Proben überlegen. Dies ist auf den hohen Substitutionsgrad der Malachitphase zurückzuführen.
• Bei der ternären Fällung wird eine deutlich niedrigere spezifische Kupferoberfläche (Indiz für Aktivität) erzielt, als bei der ternären Fällung, bei der Kupfer, Zink und Aluminium gleichzeitig gefällt werden.   
• Der im Projekt ebenfalls entwickelte Hochdurchsatztest, der Aufschluss über die Stabilität des Katalysators liefert, sowie Alterungstests, in denen die Katalysatoren durch Oxidations- und Reduktionszyklen belastet werden, zeigen, dass der synthetisierte Katalysator stabiler ist als herkömmliche Katalysatoren.