„Nature“ bestätigt bahnbrechende Durchbrüche Chinas bei der Herstellung von Olefinen aus Kohle: Hocheffizient und mit geringem Energieverbrauch

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„Nature“ bestätigt bahnbrechenden Durchbruch Chinas bei der Herstellung von Olefinen aus Kohle: Effizient und mit geringem Energieverbrauch. Autor/Quelle: Datum: 07.03.2016. Klickzahlen: 16. Kürzlich hat die international anerkannte Zeitschrift „Nature“ erneut einen bedeutenden wissenschaftlichen Durchbruch in China bestätigt. Am 4. März gab Bao Xinhe, Abgeordneter der Ren-Partei, Forscher am Dalian Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (im Folgenden „Dalian Institute of Chemical Physics“ genannt) sowie Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, diese neuesten Forschungsergebnisse bekannt. 　　Berichten zufolge hat das von Akademiker Bao Xinhe (der derzeit stellvertretender Rektor sowie Professor an der Fudan-Universität ist) sowie Forscherin Pan Xiulian angeführte Team bei der Erforschung der direkten Herstellung von Olefinen aus Kohlegasifizierung einen bedeutenden Durchbruch erzielt. Damit wurde der seit über 90 Jahren in der Kohlechemie angewandte F-T-Prozess überwunden. Anstelle des energieintensiven und wasserverbrauchsvollen Prozesses zur Wasserstoffherstellung durch Wassergasumwandlung wurde kreativ das aus der Kohlegasifizierung gewonnene Synthesegas – eine Mischung aus CO und H2 nach Reinigung – verwendet. Unter dem Einfluss eines neuen, kombinierten Katalysators konnten so hochselektiv kohlenstoffarme Olefine in einem einzigen Schritt hergestellt werden. Dadurch wurde das Problem gelöst, dass bei herkömmlichen katalytischen Reaktionen in der Kohlechemie Aktivität und Selektivität oft gegeneinander ausspielen. Dies liefert Anhaltspunkte für die Entwicklung effizienter Katalysatoren sowie für den Entwurf von katalytischen Reaktionsprozessen. Dieses Ergebnis wurde von der Branche als „ein Meilenstein mit großer Bedeutung im Bereich der Kohlenumwandlung“ bezeichnet. „Nature“ bestätigt bahnbrechenden Durchbruch Chinas bei der Herstellung von Gas aus Kohle: Hocheffizient und energieeffizient. Am 4. März präsentierte Akademiker Bao Xinhe in Peking die Ergebnisse im Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. 　　Olefine sind eine der wichtigsten Rohstoffe in der modernen Industrie. Die Olefine in unserem Land werden hauptsächlich aus der Raffination von Erdöl gewonnen. Dadurch entstehen hohe Kosten sowie Umweltbelastungen. Deshalb wird auch die Nutzung von Kohle als Energiequelle anstelle von Erdöl in den letzten Jahren als neuer Weg für die Energieentwicklung in unserem Land erforscht. 　　Die Forschungsergebnisse wurden am 4. März in der amerikanischen Zeitschrift „Science“ veröffentlicht. Gleichzeitig wurde ein chinesischer Erfindungspatentantrag sowie ein internationaler PCT-Patentantrag gestellt. Die Zeitschrift „Science“ veröffentlichte in derselben Ausgabe einen Expertenkommentar mit dem Titel „Überrascht von der Selektivität“ (Surprised by Selectivity), in dem argumentiert wird, dass dieser Prozess künftig in der Industrie eine große Wettbewerbsfähigkeit haben wird. 　　Im Jahr 1923 entwickelten die deutschen Wissenschaftler Fischer und Tropsch den Fischer-Tropsch-Prozess, bei dem Kohle durch Synthesegas zu Kohlenwasserstoffverbindungen sowie flüssigen Brennstoffen umgewandelt werden kann. Obwohl dieser Prozess nicht perfekt ist – er erzeugt große Mengen an Kohlendioxid, verbraucht außerdem viel Wasser und weist eine schlechte Selektivität der Produkte auf; zudem erfordert die nachfolgende Aufbereitung viel Energie – gilt er in der internationalen Energie- und Chemiebranche weiterhin als unersetzlich. 　　Heute wurde dieser Prozess von Forschern am Dalian Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften umgestaltet – sie verzichteten auf den wasser- und energieintensiven Wasser-Gas-Umwandlungsprozess zur Wasserstoffherstellung und nutzten stattdessen direkt das aus der Gasvergasung gewonnene Gemisch (nach Reinigung), um hochselektiv kohlenstoffarme Olefine zu erzeugen. Bei einer einseitigen Umwandlungsrate von CO von 17 % beträgt die Selektivität der kohlenstoffarmen Kohlenwasserstoffprodukte 94 %. Dabei liegt die Selektivität der kohlenstoffarmen Olefine (Ethylen, Propylen und Butylen) bei über 80 %. Es wurde die Grenze des traditionellen Fischer-Tropsch-Syntheseprozesses durchbrochen, bei der die Selektivität für kohlenstoffarme Olefine maximal 58 % betrug (SF-Grenze). 　　Der traditionelle F-T-Prozess verwendet Metalle (im reduzierten Zustand) als Katalysatoren. CO-Moleküle werden an der Oberfläche des metallischen Katalysators aktiv zerlegt in C-Atome und O-Atome. Die C-Atome und O-Atome reagieren mit dem auf der Katalysatoroberfläche adsorbierten Wasserstoff, wodurch Methylengruppen (CH2) entstehen, während gleichzeitig Wassermoleküle freigesetzt werden. Methylenintermediare führen durch eine Migrationsinsertionsreaktion eine freie Polymerisation an der Oberfläche des Katalysators durch, wodurch Kohlenwasserstoffprodukte mit unterschiedlicher Anzahl an Kohlenstoffatomen entstehen (von einem bis zu dreißig, manchmal sogar bis zu hundert Kohlenstoffatomen). Die Verteilung der Kohlenstoffatomzahlen der gesamten Reaktionsprodukte aus Kohlenwasserstoffen ist breit gefächert, wodurch die Selektivität für das gewünschte Produkt gering ist. Gleichzeitig erfordert dieser Prozess eine große Menge an Wasserstoff, um die auf der Oberfläche des Metallkatalysators durch die Zersetzung von CO entstehenden Sauerstoffatome zu entfernen. Dieser wertvolle Wasserstoff wird durch den Wassergasumwandlungsprozess (CO + H2O → H2 + CO2) gewonnen. Der Wassergasumwandlungsprozess ist ein energieintensiver Prozess, bei dem außerdem große Mengen an CO2 freigesetzt werden. 　　Der von den Forschern am Dalian Institute of Chemical Physics entwickelte Prozess verwendet teilreduzierte Verbundoxide als Katalysatoren. Die CO-Moleküle adsorbieren an den Sauerstoffdefekten des Katalysators und zerfallen dort. Die Wasserstoffmoleküle in der Gasphase reagieren selektiv mit den durch den Zerfall entstandenen C-Atomen, wodurch Methylradikale entstehen. Die bei der Zerlegung von CO auf der Oberfläche des Katalysators entstehenden Sauerstoffatome neigen dazu, mit einem weiteren CO-Molekül zu reagieren und so CO2 zu bilden. Im Gegensatz zum herkömmlichen F-T-Prozess verweilen die an den Sauerstoffdefekten entstehenden Methylradikale nicht auf der Oberfläche des Katalysators oder unterliegen dort keiner Oberflächenpolymerisierung. Stattdessen dringen sie schnell in die Poren des Molekülsiebs ein, wo sie in einem begrenzten Raum durch selektive Kopplungsreaktionen zu Kohlenwasserstoffen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt gefördert werden – dadurch wird die Selektivität des Produkts erhöht. Durch die Steuerung der Porenstrukturen sowie der sauren Eigenschaften der Molekularsiebe kann eine kontrollierte Anpassung der Produktmoleküle erreicht werden. „Nature“ bestätigt einen bahnbrechenden Durchbruch bei der Umwandlung von Kohle in Gas in China: Effizient und mit geringem Energieverbrauch. Durch den Einsatz von CO anstelle von H2 werden die überschüssigen Sauerstoffatome bei der Bildung von Kohlenwasserstoffen beseitigt. Dadurch entfällt die notwendige Wassergasumwandlung, bei der viel Energie und Wasser verbraucht wird. Im Prinzip wird so ein neuer Weg zur Umwandlung von Kohle gefunden, bei dem kein Wasser benötigt wird – es gibt somit keinen Wasserkreislauf. Damit wird die Frage beantwortet, die dem Premierminister schon immer wichtig war: „Ist es möglich, die Kohleverarbeitung ohne oder mit minimalem Wasserverbrauch durchzuführen?“ 　　Gleichzeitig gelang es dem Team von Akademiker Bao Xin durch kreative Methoden, Oxidkatalysatoren mit Molekularsieben zu kombinieren. Auf diese Weise konnte eine effektive Trennung der beiden katalytischen Aktivzentren – nämlich der CO-Aktivierung und der Kopplung von Zwischenprodukten – erreicht werden. Die in der traditionellen Fischer-Tropsch-Technik „zufällig und ungeordnet“ entstehenden Radikale wurden somit in einer „Käfigstruktur“ (dem Molekularsieb) eingesperrt. Durch die Einschränkung ihres Verhaltens konnten sie schließlich in die gewünschten Endprodukte umgewandelt werden – nämlich Kohlenwasserstoffe mit geringem Kohlenstoffgehalt. Es wurde das Problem des „Seilchenspiels“ zwischen Aktivität und Selektivität in herkömmlichen katalytischen Reaktionen gelöst, was eine Richtlinie für die Entwicklung effizienter Katalysatoren sowie katalytischer Reaktionsprozesse bietet. 　　Der Prozess der neuen Erfindung des Teams um Akademiker Bao Xin bringt neben der Wassereinsparung und der Verringerung der CO2-Emissionen im Produktionsprozess (Durchlaufzeitverkürzung, geringerer Energieverbrauch) auch erhebliche wirtschaftliche Vorteile mit sich. Laut der ersten Bewertung von China Petrochemical Engineering Corporation (SEI) kann unter den aktuellen Bedingungen die interne Rendite dieses Prozesses 14 % überschreiten. 　　“Die Technologie muss die „Energierevolution“ unterstützen. ”Bao Xinhe sagte, dass viele chemische Unternehmen im Inland und im Ausland großes Interesse an der weiteren Anwendung und Verbreitung dieses Verfahrens hätten. Nach sorgfältiger Bewertung und Verhandlungen hat das Dalian Institute of Chemical Physics derzeit erste Vereinbarungen mit wichtigen inländischen Chemieunternehmen sowie bekannten ausländischen Chemiefirmen getroffen. Gemeinsam soll an der Herstellung von Katalysatoren sowie an der Entwicklung von Prozessen gearbeitet werden, um so möglichst bald eine industrielle Anwendung sowie die Industrialisierung dieses innovativen Ergebnisses zu erreichen. Ziel ist es, dieses originelle Ergebnis in echte Produktivkraft umzuwandeln. 　　Als Dr. Schwab, ein Experte des deutschen Unternehmens BASF, der seit über zwanzig Jahren an der Forschung zum F-T-O-Verfahren zur Herstellung von Olefinen arbeitet, die Grundlagen dieses Verfahrens erkannte, sagte er enttäuscht: „Warum ist uns diese Idee nicht zuerst in den Sinn gekommen?“ ”Akademiker Bao Xinhe antwortete stolz: „Ihr habt bereits viele Ideen gehabt – jetzt ist es an der Zeit, dass wir dran sind.“ 　　Die Grundlage für diese Aussage liegt in der jahrzehntelangen Arbeit eines hervorragenden Forschungsteams sowie in Chinas zunehmender Fähigkeit in der wissenschaftlichen Forschung. Allein für diese Forschungsarbeiten hat das Team mehr als neun Jahre investiert. Dabei arbeitete es mit verschiedenen inländischen Forschungseinrichtungen zusammen, darunter auch die Synchrotronstrahlungsquelle in Hefei. Zudem wurden verschiedene hochentwickelte Forschungsinstrumente eingesetzt, die selbst entwickelt wurden. Während dieser Zeit veröffentlichte das Team außer mehreren chinesischen Erfindungspatenten und internationalen PCT-Patenten kein einziges Artikel zu den damit verbundenen Forschungen. 　　Die Forschung zu den entsprechenden Projekten wurde von der **Kommission für Naturwissenschaftsförderung, dem Ministerium für Wissenschaft und Technologie sowie den strategischen Vorreiterprojekten der Chinesischen Akademie der Wissenschaften finanziell unterstützt.** Der Titel des Originaltextes lautet: „Nature“ bestätigt bahnbrechenden Durchbruch Chinas bei der Herstellung von Gas aus Kohle: Hocheffizient und energieeffizient. Das muss falsch sein, es sollte Kohle-Öle sein.