Valide Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in der Methanol-Dampf-Reformierreaktion

Die Methanol-Dampfreformierungsreaktion, also die Gewinnung von Wasserstoff und Kohlendioxid aus Methanol und Wasser ist eine der momentan erfolgversprechendsten heterogen katalysierten chemischen Reaktionen für mobile Wasserstoffspeicheranwendungen. Ihr besonderer Vorteil liegt dabei vor allem im hohen Wasserstoff-zu-Kohlenstoffverhältnis (3:1), das sich bei richtiger, CO2- selektiver Reaktionsführung einstellt. Für diese stehen eine Reihe bereits gut charakterisierter Katalysatoren zur Verfügung, wie zum Beispiel das technologisch eingesetzte Kupfer-Zinkoxid oder verschiedene intermetallische Verbindungen auf Palladium-Basis. Nichtsdestoweniger sind die Probleme bei deren Verwendung nicht zur Gänze gelöst: so neigen Kupfer-Zinkoxid-Katalysatoren stark zu Sintereffekten und damit zum Verlust katalytisch aktiver Oberfläche bei Katalysatoraktivierung oder auch während der eigentlichen Reaktion. Bei den intermetallischen Verbindungen auf Palladium-Basis, vor allem ZnPd, handelt es sich um hochdynamische Systeme, deren Struktur sich bei Verwendung stark verändert. Dies führt aufgrund der Dynamik zur Schwierigkeit der Identifizierung des katalytisch aktiven Zentrums. Die im Projekt Die Suche nach verlässlichen Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in der Methanol-Dampfreformierung anvisierten Kupfer-Katalysatoren auf Zirkonoxid-Basis weisen bei gleicher Selektivität und teilweise mehrfach höheren Aktivitäten aufgrund der vergleichsweise ausgeprägten chemischen Trägheit des Zirkonoxids eine vergleichsweise hohe chemische und strukturelle Stabilität auf. Damit wird aufgrund der fehlenden strukturellen Dynamik die Bestimmung und Charakterisierung der chemische Natur der aktiven Katalysatorplätze entscheidend erleichtert. Zur Erfüllung dieses Ziels ist die Beschreitung komplementäre Syntheseansätze genauso notwendig wie die strukturelle und chemische Charakterisierung unter Reaktionsbedingungen. Damit wird es möglich, die Struktur und Chemie der beteiligten Komponenten Kupfer und Zirkonoxid so zu optimieren, dass ein Katalysator mit entsprechend höherer Aktivität und Selektivität bei gleichzeitig strukturell stabilem katalytisch aktivem Zentrum resultiert. Somit wird die Erstellung verlässlicher Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in der Methanol-Dampfreformierung ermöglicht.

Die Methanol-Dampfreformierreaktion, d.h. die Gewinnung von Wasserstoff und Kohlendioxid aus Methanol und Wasser, ist eine erfolgversprechende heterogen-katalysierte chemische Reaktion auch für mobile Wasserstoffspeicheranwendungen. Ihr besonderer Vorteil liegt im hohen Wasserstoff-zu-Kohlenstoffverhältnis, das sich bei CO2-selektiver Reaktionsführung einstellt. Die im Projekt "Die Suche nach verlässlichen Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in der Methanol-Dampfreformierung" synthetisierten und charakterisierten Kupfer-Katalysatoren auf Zirkonoxid-Basis weisen bei gleicher Selektivität und teilweise mehrfach höheren Aktivitäten aufgrund der vergleichsweise ausgeprägten chemischen Trägheit des Zirkonoxids eine vergleichsweise hohe chemische und strukturelle Stabilität auf. Damit wird aufgrund der fehlenden strukturellen Dynamik die Bestimmung und Charakterisierung der chemischen Natur der aktiven Katalysatorplätze entscheidend erleichtert. Dies gilt für direkt hergestellte Kupfer-Zirkonoxid Grenzflächen im gleichen Maße wie für solche, die aus einer intermetallischen Kupfer-Zirkon Phase durch Behandlung in der Methanol-Wasser Mischung hergestellt wurden. Speziell durch chemische Oberflächenvariation des Zirkonoxides ist es möglich, die Kupfer-Zirkonoxid Grenzfläche so zu variieren, dass sie zwischen verschiedenen Selektivitäten geschalten werden kann. Somit wird die Erstellung verlässlicher Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in der Methanol-Dampfreformierung und die gerichtete Katalysatorsynthese entscheidend erleichtert. Durch die Neukonzeption einer apparativen Kopplung zwischen der Charakterisierung der chemischen Oberfläche während der Methanol-Dampfreformierung und der Messung der entsprechenden katalytischen Aktivität konnten entscheidende Hinweise auf den Mechanismus der Methanoldampfreformierung auf molekularer Ebene im Operationszustand des katalytisch aktiven Zentrums gewonnen werden. Im Zuge des Projektes wurden die gewonnen Erkenntnisse auf das Kupfer-Indium/Indiumoxid System ausgedehnt, um den Einfluss des Trägers besser zu verstehen. Indiumoxid ist im Gegensatz zu Zirkonoxid selbst ein Kohlendioxid-selektiver Methanoldampfreformier-Katalysator und die entsprechende Kupfer-Indiumoxid Grenzfläche verhält sich signifikant anders, d.h. sie ist in einem sehr viel dynamischeren strukturellen Zustand. Solche Grenzflächen können ebenfalls nicht direkt aus den intermetallischen Kupfer-Indium Vorläuferphasen einfach hergestellt werden. In Summe konnten wir im dargestellten Projekt besonders im Kupfer-Zirkonoxid System eine Reihe von positiven und negativen Aspekten herausarbeiten, auf die entweder besonderes positives Augenmerk gerichtet werden muss, oder die in der Synthese unbedingt vermieden werden müssen. Die Katalysatorsynthese wurde somit auf eine mehr wissensbasierte Basis gestellt und die Neukonzeption von Katalysatoren und deren Charakterisierung erleichtert.