Projekt

Jährlich werden mehr als 13 Millionen Tonnen Formaldehyd aus Erdgas oder Kohle produziert, die zu Kunststoffen oder Harzen weiterverarbeitet werden. Im Projekt soll Formaldehyd aus Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff mithilfe geeigneter Katalysatorsysteme synthetisiert werden. Dazu wurde ein effektives Katalysatorsystem und ein Verfahrenskonzept entwickelt. Derzeit wird Formaldehyd industriell durch die Oxidation von Methanol hergestellt, welches aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff bzw. Kohlendioxid und Wasserstoff aus Kohle oder Erdgas synthetisiert wird. Im neuen Verfahren soll das Kohlenstoffmonoxid bzw. ein Drittel des benötigten Wasserstoffs eingespart werden. Dabei könnten pro Tonne Formaldehyd bis zu 1,46 Tonnen Kohlendioxid verwertet werden.

Vorgehen:

- Um die Überreduktion des Formaldehyds zu Methanol zu vermeiden, sollte ein Verfahren Anwesenheit von Methanol und einem sauren Kokatalysators durchgeführt werden, mit dem das stabile Intermediat Dimethoxymethan (DMM) erzeugt werden kann. Das DMM kann anschließend als Synthesebaustein genutzt werden oder hydrolytisch zu wässrigem Formaldehyd gespalten werden.

- Bei der Entwicklung des Katalysators wurden verschiedene Liganden in einer festgelegten Leitstruktur untersucht.

- Die Katalysatoraktivität wurde durch faktorielles Design-of-Experiment im Hochdurchsatz optimiert.

- Der Reaktionsmechanismus wurde mit quantenchemischen Untersuchungen evaluiert, um anhand dessen Katalysatorsysteme zu entwickeln.

Ergebnisse:

- Es wurden mehrere tridentaten Liganden hergestellt, die entsprechenden Rutheniumkomplexe dargestellt und zur Synthese von DMM aus CO2 verwendet. Durch Variation des Brückenkohlenstoffatoms im Triphos-Ligandenmotiv mit Silizium-, Phosphor- oder Stickstoff-verbrückten tridentaten Phosphanliganden konnte die katalytische Produktivität gesteigert werden.

- In den Design-of-Experiment Optimierungsversuchen konnte ein Katalysatorsystem mit guter Produktivität und einer Selektivität von 85 % erzielt werden. Zusätzlich wurde gezeigt, dass sich der Katalysator einfach recyclen lässt.

- Aufbauend aus den Ergebnissen und den quantenchemischen Rechnungen zum Reaktionsmechanismus werden Verfahrenskonzepte für die technische Umsetzung simuliert, die als Grundlage für eine Life-Cycle-Analyse dienen können.