Audiokassetten als Inspiration

Kostengünstige nanostrukturierte Eisen-Kobalt-Katalysatoren für die Fischer-Tropsch-Synthese

11.03.2013 - Niederlande

Audiokassetten machen ein Produktionsverfahren von Treibstoffen billiger: Für die Herstellung von Nanopartikeln aus kostengünstigen Eisenoxid-Kernen mit sehr dünnen Kobalt-Schalen modifizierte ein internationales Forscherteam eine Methode, die für Audio-Magnetbänder entwickelt worden war. Wie die Forscher darlegen, sind die Partikel ausgezeichnete Fischer-Tropsch-Katalysatoren für die Produktion guter Diesel-Fraktionen.

Im Zuge zunehmender Bedeutung von Erdgas und Schiefergas rückt ein fast ein Jahrhundert altes Verfahren wieder in den Blickpunkt: Die Fischer-Tropsch-Synthese, ein 1925 entwickeltes großtechnisches Verfahren zur Kohleverflüssigung durch katalytische Umwandlung eines Kohlenstoffmonoxid-Wasserstoff-Gemisches (Synthesegas) in gasförmige und flüssige Kohlenwasserstoffe. Derzeit wird es in einigen Ländern zur Herstellung ultrareiner Treibstoffe aus Kohle oder Erdgas eingesetzt. Auch Biomasse eignet sich als Rohstoff.

Das Verfahren steht und fällt mit dem Katalysator. Dessen aktive Komponente ist Eisen oder Kobalt. Jedes dieser Metalle hat Vor- und Nachteile und kommt bei unterschiedlichen Eigenschaften der eingespeisten Gase zum Einsatz. Die meisten großen Firmen arbeiten mit Kobalt. Gravierender Nachteil ist dessen sehr hoher Preis.

Da nur die Oberfläche von katalytischen Partikeln wirksam ist, wären Partikel mit einem Kern aus kostengünstigem Material und einer dünnen Schicht des teuren, aktiven Materials eine Alternative. Allerdings wird dazu ein Verfahren benötigt, das die präzise Herstellung der nanostrukturierten Teilchen gewährleistet, gleichzeitig aber kostengünstig, einfach und großtechnisch praktikabel ist.

Ein niederländisch-französisch-deutsches Team um Gadi Rothenberg von der Universität Amsterdam hat diese Herausforderung nun gemeinsam mit Total Gaz & Energies Nouvelles (Paris) gemeistert, indem sie sich von Patenten aus den sechziger Jahren für die Herstellung von Audio-Magnetbändern inspirieren ließen, die mit zigarrenförmigen Kern-Schale-Partikeln aus kostengünstigem Eisenoxid mit sehr dünnen Kobalt-Schichten versehen wurden. Die Forscher konnten jetzt mit einer modifizierten Verfahrensvariante sphärische Kern-Schale-Partikel für die Katalyse herstellen.

Dazu werden Eisenoxid-Nanopartikel aus einer Eisenchlorid-Lösung hergestellt. Bei Zugabe einer Kobaltnitrat-Lösung wächst eine feine Kobaltoxid-Schicht auf. So erhalten die Forscher ca. 10 nm große Teilchen mit 8 nm großem Eisenoxid-Kern und einer 1 nm dicken kobalt-reichen Schale. Diese werden zusammen mit Tonerde als Trägermaterial zu Pellets verarbeitet und unter Wasserstoffatmosphäre erhitzt, um das Kobaltoxid zu metallischem Kobalt zu reduzieren und den Katalysator so zu aktivieren.

Tests in Fischer-Tropsch-Reaktoren in Lille und Bayreuth ergaben, dass die Partikel wirkungsvolle, stabile Katalysatoren sind. Die Produktzusammensetzung zeigt, dass Eisen an der Katalyse beteiligt ist. Es kommt offenbar zu einem bisher nicht erforschten kooperativen Effekt zwischen Eisen und Kobalt.