Promotierungseffekte in der Methanolsynthese: Verständnis eines industriellen Katalysators für die Umsetzung von CO₂

Abstract

CO 2 -Umsetzung ·Heterogene Katalyse ·Katalysatorpromotierung ·Kupfer ·M ethanolsynthese Methanol ist eine wichtige Grundchemikalie,die im industriellen Maßstab über einem kupferbasierten Katalysator hergestellt wird. Die Kupfernanopartikel sind auf Zinkoxid fixiert und gleichzeitig mit einer Zinkspezies promotiert. Das eingespeiste Gas ist eine Mischung aus CO 2 ,C Ou nd H 2 (Synthesegas), und der Prozess wird industriell seit den 1960er Jahren bis auf kleinere Modifikationen und inkrementelle Optimierungen nahezu unverändert durchgeführt. Der Cu/ZnO-Katalysator,d er üblicherweise in der Industrie noch durch weitere Additive verbessert wird, wurde über Jahrzehnte im Hinblick auf die industrielle Methanolproduktion intensiv untersucht. Das Synthesegas wird dabei üblicherweise durch die Dampfreformierung von Erdgas oder die Kohlevergasung erhalten. Vora llem im späten 20. Jahrhundert wurden viele bahnbrechende Ergebnisse erarbeitet, wie die Struktursensitivitätd er Methanolsynthese oder die Identifizierung von CO 2 als direkte Kohlenstoffquelle für Methanol (und nicht CO) gemäßder Reaktion CO 2 + 3H 2 ! CH 3 OH + H 2 O. [1] Allerdings hat es hat den Anschein, dass die internationale Katalyseforschung diesen etablierten Katalysator danach etwas aus den Augen verloren hat. Einige wichtige Aspekte im Zusammenhang mit der Funktion von ZnO,d as von manchen als inerter Tr äger,v on anderen zusätzlich als "elektronischer Promoter" betrachtet wurde,oder die strukturelle Dynamik von Cu und Zn sowie der exakte Reaktionsmechanismus blieben zumindest teilweise noch kontrovers. Die Methanolsynthese über Cu/ZnO ist nun wieder in den Fokus vieler Forschungsgruppen gerückt, was mit einer stark wachsenden Anzahl an Publikationen einhergeht. Dieses wiedererwachte Interesse konnte z. B. auf dem kürzlich abgehaltenen internationalen Katalysekongress (ICC 2016) in Peking beobachtet werden, wo eine hochinteressante Sitzung diesem Thema gewidmet war. Die in jüngster Zeit erzielten und z. T. dort vorgestellten Fortschritte sind eindrucksvoll und basieren auf einer sehr breiten experimentellen und theoretischen Basis,d ie neue Synthesemethoden, [2] neue Einblicke aus der Quantenchemie, [3] der Modellkatalyse, [4] kinetische Experimente [5] und ausgeklügelte Katalysatorcharakterisierung [6] beinhaltet. Kürzlich haben außerdem Kuld et al. [7] eine exzellente Studie publiziert, die viele dieser Aspekte in einer einzigen Verçffentlichung kombiniert, um so die Rolle des Zn-Promoters umfassend zu dechiffrieren. Hohen Anteil an der Motivation fürdieses neue Interesse an Cu/ZnO hat das Faktum, dass dieses Material über seine Rolle in der konventionellen Synthesegaschemie hinaus eines der seltenen Beispiele füre inen Katalysator ist, der die Umsetzung von CO 2 in eine hçherwertige Chemikalie in einem industriellen Prozess katalysiert. Methanol kann als Tr eibstoff fürV erbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen genutzt werden, und somit wäre ein Übergang vom fossilstämmigen Synthesegas hin zu einer Einspeisung von anthropogenem CO 2 (z. B. aus Punkt...