Schlüsselkomponente für industrielle Synthese von Methanol identifiziert

31. Mai 2021

Methanol kann als Energieträger oder als Rohstoff für die Herstellung anderer Chemikalien dienen. Der Alkohol gehört zu den meistproduzierten organischen Chemikalien – jedes Jahr werden über 60 Millionen Tonnen der Flüssigkeit hergestellt, in der Regel auf katalytischem Weg. Ein Team von Forscherinnen und Forschern unter Beteiligung des Ernst Ruska-Centrums für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen (ER-C) hat nun neue Erkenntnisse zu den chemischen Vorgängen während des Katalyseprozesses und Ansätze für dessen Optimierung vorgestellt.

Die derzeitige kommerzielle Herstellung von Methanol durch die Hydrierung des Treibhausgases CO₂ beruht auf einem Katalysator, der aus Kupfer, Zinkoxid und Aluminiumoxid besteht. Obwohl dieser Katalysator bereits seit vielen Jahrzehnten in der chemischen Industrie eingesetzt wird, gibt es dazu noch immer viele ungeklärte Fragen. Unter Federführung des Fritz-Haber-Instituts (FHI) der Max-Planck-Gesellschaft haben die Forscherinnen und Forscher nun den Ursprung der erstaunlichen katalytischen Aktivitäts- und Selektivitätsentwicklung komplexer Nanokatalysatoren während der Reaktion aufgeklärt. Insbesondere beleuchteten sie die Rolle des oxidischen Trägermaterials und deckten auf, wie die Methanolproduktion durch winzige Mengen von Zinkoxid in engem Kontakt mit Kupfer beeinflusst werden kann.

Das Team untersuchte den katalytischen Prozess unter realistischen Reaktionsbedingungen, die denen im industriellen Prozess nachempfunden sind, d.h. hohe Drücke (20-60 bar) und milde Temperaturen. Zur Charakterisierung der Mikrostruktur und der elementaren Verteilung von Kupfer und Zink innerhalb der Nanokatalysatoren wurden die Proben mit Hilfe hochauflösender probekorrigierter Rastertransmissionselektronenmikroskopie und Röntgenspektroskopie an einem TITAN-Mikroskop des ER-C untersucht. Neben dem ER-C und dem FHI waren die Ruhr-Universität Bochum, sowie aus den USA das National Accelerator Laboratory des Stanforder Linearbeschleunigers (SLAC) und das Brookhaven National Laboratory an dem Forschungsprojekt beteiligt.

Durch die Kombination von Ergebnissen aus Mikroskopie, Spektroskopie und katalytischen Messungen fand das Team heraus, dass einige Träger einen besseren Einfluss auf die Leistung des Katalysators hatten als andere, und zwar aufgrund der Art und Weise, wie sie mit dem Zinkoxid wechselwirkten, das in stark verdünnter Form als Teil der Cu-Zn-Nanopartikel vorlag. Auf Siliziumoxidträgern wurde Zinkoxid während des katalytischen Prozesses teilweise zu metallischem Zink reduziert oder es entstand eine Messing-Legierung, die sich mit der Zeit als nachteilig für die Methanolproduktion erwies. Bei der Verwendung von Aluminiumoxid als Träger interagiert das Zink stark mit dem Träger und wird in dessen Gitter eingebaut, was zu einer Änderung der Selektivität der Reaktion hin zu Dimethylether führt.

Die Arbeit zeigt, dass Zinkoxid nicht als Teil des Trägers vorhanden sein muss, sondern dass es auch dann eine nützliche Funktion hat, wenn es in stark verdünnter Form als Teil des Nanopartikel-Katalysators selbst vorhanden ist. Dies kann dazu beitragen, die Katalysatoren für die Methanol-Synthese besser zu verstehen und möglicherweise zu einer Verbesserung des Katalysators für diesen industriell wichtigen Prozess führen.

Weitere Informationen:

Pressemitteilung des FHI „Zinkoxid: Schlüsselkomponente für die Methanol-Synthese über Kupferkatalysatoren“ vom 4. März 2021.

Originalveröffentlichung:

Núria J. Divins et al.;
Operando High-Pressure investigation of Size-Controlled CuZn Catalysts for the Methanol Synthesis Reaction
Nature Communications, March 2021, DOI: 10.1038/s41467-021-21604-7.