Großer Durchbruch bei der Herstellung von Olefinen aus Synthesegas

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Großer Durchbruch bei der Herstellung von Olefinen aus Synthesegas – Autor/Quelle: Datum: 08.10.2016; Klickzahlen: 43. Die Zeitschrift „Nature“ veröffentlichte am 6. Oktober wichtige Ergebnisse: Ein gemeinsames Forscherteam des Shanghai Advanced Institute der Chinesischen Akademie der Wissenschaften sowie der Shanghai University of Science and Technology hat bedeutende Fortschritte bei der Herstellung von Olefinen aus Synthesegas erzielt. Leiter des Projekts ist Forscher Zhong Liangshu; die Shanghai University, die East China Normal University, das Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften sowie das Institut für Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften waren ebenfalls an Teilen der Arbeiten beteiligt. Durch die Verwendung einer völlig neuen Struktur der aktiven Stellen des Katalysators konnte in dieser Studie eine hocheffiziente, direkte Herstellung von Olefinen aus Synthesegas unter milderen Bedingungen erreicht werden. Dies ist von großer Bedeutung für die Weiterentwicklung des Bereichs der katalytischen Umwandlung von Synthesegas. Gleichzeitig weist dieses Ergebnis eine hohe wirtschaftliche Effizienz auf und wird die Entwicklung der Kohlechemie in unserem Land fördern. TEM-Bild des FTO-Katalysators. a, b, TEM-Bilder in niedriger Vergrößerung ； c, d, e: Hochvergrößerungsfotos mit TEM ； f, Schematische Darstellung von Co2C-Parallelepiped-Nanopartikeln. Im Bereich der Energiechemie sind Olefine eine grundlegende und äußerst wichtige chemische Rohstoffe mit hohem Mehrwert. Viele Produkte wie Synthetische Fasern, Synthetikgummi, Synthetikplastik, hochwertige Schmieröle, Kohlenwasserstoffalkohole sowie Hochleistungs-Kerosin basieren auf ihnen als Ausgangsrohstoffen. Daher beeinflussen das Entwicklungsniveau der Olefinindustrie sowie das Gleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage auf dem Markt direkt das Entwicklungsniveau der gesamten Chemieindustrie und deren Größe. In den letzten Jahren wurden im In- und Ausland vor allem nicht-ölbasierte Ansätze erforscht, um die Abhängigkeit von Ölressourcen zu verringern, d.h. die Nutzung von Kohle- oder Erdgasressourcen zur direkten oder indirekten Herstellung von Olefinen. Der derzeit gängige Herstellungsprozess besteht darin, zunächst aus Kohle oder Erdgas Synthesegas herzustellen – dessen Hauptbestandteile Kohlenmonoxid und Wasserstoff sind, also CO und H2. Anschließend wird aus diesem Synthesegas Methanol gewonnen. Schließlich werden durch verschiedene Verfahren, bei denen Methanol in Ethylen oder Propylen umgewandelt wird – wie das MTO-Verfahren sowie das MTP-Verfahren – Olefinprodukte hergestellt. Diese Technologie umfasst zwei Schritte: Das Synthesegas wird mithilfe eines kupferbasierten Katalysators in Methanol umgewandelt, und das Methanol wird anschließend mit Hilfe eines Molekularsiebkatalysators in Olefine umgewandelt. Wenn die Anzahl der Reaktionsschritte reduziert werden kann, sodass das Synthesegas direkt und mit hoher Selektivität in Olefine umgewandelt wird, ist der Prozess kürzer und der Energieverbrauch geringer. Die Synthese von Olefinen durch die Fischer-Tropsch-Reaktionsweg ist ein Verfahren, bei dem CO und H2 unter Einwirkung eines Katalysators durch die Fischer-Tropsch-Reaktion (abgekürzt FT) zu Olefinen (auch FTO genannt) umgewandelt werden. Derzeit sind die Hauptprobleme bei FTO die Steigerung der Selektivität für Olefine sowie die effektive Kontrolle der Produktverteilung. Da es sich bei der FTO um eine starke exotherme Reaktion handelt, kann die hohe Reaktionswärme zu einer lokalen Überhitzung führen. Dadurch entsteht das Phänomen des Temperaturanstiegs, was wiederum die Methanisierung sowie den Kohlenstoffablagerungsprozess fördert. Die erzeugte große Menge an Methan verringert erheblich die Gesamtausbeute an Olefinen. Außerdem kann es im FT-Syntheseprozess aufgrund der Verwendung von Olefinen als Zwischenprodukt zu sekundären Hydrogenierungsreaktionen kommen, wodurch diese in gesättigte Alkane umgewandelt werden. Dadurch wird die Selektivität für Olefine weiter verringert. Da der Weg zur direkten Herstellung von Olefinen aus Synthesegas durch die oben genannten Faktoren eingeschränkt wird, ist es notwendig, um eine gute FTO-Katalysatorkraft zu erreichen sowie eine niedrige Methanselektivität und eine hohe Olefinselektivität zu gewährleisten, völlig neue Strukturen für katalytisch aktive Stellen zu entwickeln. Direkte und effiziente Herstellung von Olefinen aus kohlenstoffbasiertem Synthesegas – Das Forschungslabor für Wissenschaften und Ingenieurwesen im Bereich der kohlenstoffarmen Umwandlung am Shanghai Advanced Institute der Chinesischen Akademie der Wissenschaften konzentriert sich hauptsächlich auf die Entwicklung von Schlüsseltechnologien zur kohlenstoffarmen Umwandlung von kohlenstoffhaltigen Ressourcen. Es wird kontinuierlich an der Erforschung des Zusammenhangs zwischen Struktur und Wirksamkeit bei der katalytischen Umwandlung von Synthesegas sowie an der Entwicklung neuer Katalysatoren gearbeitet. Kürzlich hat das Labor für kohlenstoffarme Umwandlungsprozesse ein völlig neues Katalysator entwickelt. Es wurde festgestellt, dass dieser Katalysator unter milderen Reaktionsbedingungen (250 °C und 1–5 atm) eine hohe Selektivität bei der direkten Herstellung von Olefinen aus Synthesegas ermöglicht. Die Selektivität für Methan kann auf bis zu 5 % sinken, während die Selektivität für kohlenstoffarme Olefine bis zu 60 % erreichen kann. Die Gesamtselektivität für Olefine liegt bei über 80 %. Zudem kann das Verhältnis von Olefinen zu Alkanen über 30 liegen – was eine ausgezeichnete FTO-Leistung zeigt. Um die Natur der aktiven Stellen des Katalysators zu bestimmen, führte das Labor umfangreiche Untersuchungen zu Struktur-Wirkungs-Beziehungen durch und kombinierte diese mit theoretischen Berechnungen. Dabei wurde festgestellt, dass die Struktur der aktiven Stellen aus Co2C-Nanoprismen besteht, deren Exponierungsflächen {101} und {020} sind. Die Ergebnisse der oben beschriebenen Arbeiten wurden in der Zeitschrift „Nature“ veröffentlicht. Aufgrund der Ressourcenstruktur unseres Landes – nämlich Mangel an Öl und Gas sowie reiche Vorkommen an Kohle – bietet diese Technologie große Perspektiven für den industriellen Einsatz sowie erhebliche wirtschaftliche Vorteile. Der Shanghai Advanced Research Institute der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat derzeit Vereinbarungen mit Partnern wie der Shanxi Lu’an Group getroffen. Gemeinsam sollen sie in Bereichen wie der Herstellung von Katalysatoren in größeren Mengen, der Konstruktion von Reaktoren sowie der Entwicklung von Produktionsprozessen zusammenarbeiten. Ziel ist es, so schnell wie möglich eine industrielle Anwendung sowie die Industrialisierung zu erreichen und damit die Entwicklung der Kohlechemie in unserem Land voranzutreiben.