Kombi-Katalysator für die direkte Umsetzung von Synthesegas in leichte Olefine
Bausteine in einem Schritt
Die leichten ungesättigten Kohlenwasserstoffe Ethylen, Propylen und Butylen sind Schlüsselbausteine für die chemische Industrie und Ausgangsstoffe z.B. für Kunststoffe, Kunstfasern und Lacke. Üblicherweise werden sie aus Erdöl gewonnen. Chinesische Wissenschaftler stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie jetzt einen neuen Ansatz vor, der ihre Herstellung aus alternativen Kohlenstoffquellen wie Biomasse, Erdgas oder Kohle attraktiver machen könnte. Schlüssel zum Erfolg ist ein bifunktioneller Katalysator, der Synthesegas, eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, mit erstaunlich hoher Selektivität direkt in leichte Olefine umsetzt.
Derzeit erfolgt die Herstellung dieser Verbindungen vor allem durch thermisches Cracken leichter Erdölfraktionen. Aufgrund steigender Nachfrage bei abnehmenden Ölreserven rücken Kohle, Erd- und Schiefergas sowie Biomasse als Rohstoffquellen in den Fokus. Erster Schritt ist deren Umwandlung in Synthesegas z.B. durch Kohlevergasung oder Steam-Reforming. Das Synthesegas wird dann im Fischer-Tropsch-Verfahren katalytisch zu Paraffinen (gesättigten Kohlenwasserstoffen), Olefinen (ungesättigten Kohlenwasserstoffen) und Alkoholen umgesetzt. Deren Mengenverhältnisse folgen einer speziellen statistischen Verteilung, die die Selektivität für die begehrten leichten Olefine begrenzt.
Eine Alternative ist die Umsetzung des Synthesegases in zwei Schritten: In einer Methanolsynthese reagieren CO und H2 zunächst zu Methanol, das dann im anschließenden Methanol-zu-Olefin-Verfahren (Methanol-to-Olefins, MTO) durch Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verknüpfungen mit relativ hoher Selektivität in leichte Olefine umgesetzt wird. Wünschenswert, weil wesentlich energie- und kosteneffizienter, wäre ein einstufiges Verfahren, das beide Schritte vereint.
Die Wissenschaftler um Qinghong Zhang und Ye Wang von der Universität Xiamen haben diese Herausforderung jetzt gemeistert. Erfolgsgeheimnis ist ein spezieller bifunktioneller Katalysator mit aktiven Komponenten für beide Reaktionsschritte: SAPO-34, ein Silicium-Aluminiumphosphat-Molekularsieb als herausragender Katalysator für die MTO-Reaktion sowie Zirkonoxid- und Zinkoxid-Nanopartikel im Verhältnis 2:1 als Methanolsynthese-Katalysator mit einer Präferenz für leichte Olefine.
Von entscheidender Bedeutung ist, wie die beiden Komponenten zu einem Kombi-Katalysator vereint werden: Ihr Kontakt muss eng sein – aber nicht zu innig, sonst können die frisch gebildeten Olefine zu leicht an die katalytischen Zentren gelangen, die eigentlich nur das CO mit Wasserstoff zu Methanol umsetzen sollen. Hier können sie ebenfalls Wasserstoff binden – unter Verlust ihrer Doppelbindung. Es entstehen dann vermehrt Paraffine. Die besten Ergebnisse brachte ein gemeinsames Verreiben in einem Mörser.
Mit dem bifunktionellen Katalysator ließ sich bei etwa 400 °C eine Selektivität für die leichten Olefine von 74% bei einem CO-Umsatz von etwa 11% erreichen. Das sind ausgezeichnete Ergebnisse für die direkte Umsetzung von Synthesegas zu leichten Olefinen.
Mit weitereren bifunktionellen Katalysatoren hofft man, auch einstufige Synthesen für die selektive Herstellung von Produkten, wie Benzin, Diesel und Aromaten aus Synthesegas zu entwickeln.
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