Fischer-Tropsch 2.0
Nanoreaktoren synthetisieren und cracken Kohlenwasserstoffe
Forschern des Paul Scherer Institutes und der ETH Zürich ist es gelungen, in Nanometer-kleinen Alumosilikatkristallen, sogenannten Zeolithen, zwei Umwandlungsschritte der synthetischen Kohlenwasserstoffherstellung nach dem Fisher-Tropsch-Verfahren ablaufen zu lassen.
1925 entwickelten die deutschen Chemiker Franz Fischer und Hans Tropsch ein großtechnisches Verfahren, um aus einem Gasgemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, dem sogenannten Synthesegas, Kohlenwasserstoffe, Öle sowie Benzin und Diesel zu synthetisieren. Außer der ursprünglich verwendeten Kohle eignen sich auch Erdgas, Erdöl und Biomasse als Ausgangsstoffe der Synthesegasherstellung. Das Fischer-Tropsch-Verfahren ist zwar großindustriell erprobt, aber die Preise der hergestellten Kraftstoffe sind bislang nicht konkurrenzfähig.
Forschern des Paul Scherrer Instituts und der ETH Zürich haben jetzt im Nanometerformat chemische Reaktoren aus Zeolithkristallen gebaut, die zuvor in zwei getrennten Reaktoren durchzuführende Reaktionsschritte geordnet sukzessive ablaufen lassen. Der erste Prozess besteht in der Umwandlung des Synthesegases in viele verschiedene, lang- und kurzkettige Kohlenwasserstoffe. Erwünscht sind aber nur die kurzkettigen KWH, aus denen Benzin, leichtes Heizöl und Diesel besteht. Um die langkettigen Kohlenwasserstoffe im Endprodukt zu reduzieren, ist das Aufbrechen dieser Moleküle in kurzkettige Kohlenwasserstoff notwendig, das sogenannte Cracking. Beide Prozessschritte laufen in den Zeolithkristall-Reaktoren nacheinander kontrolliert ab.
Die Oberflächen der Zeolith-Nanokristalle besitzen viele kleine Poren ähnlicher Größe, auf deren großen Oberfläche einerseits sehr gut chemische Reaktionen ablaufen; andererseits wirken die Poren wie ein Sieb, das nur Moleküle bis zu einer bestimmten Größe passieren lässt. Um dies zu erreichen, höhlten die Forscher die Nanokristalle mit einer ätzenden Lösung aus und brachten Kobalt-Nanopartikel in die entstandenen Hohlräume ein, die als Katalysatoren den ersten Umwandlungsschritt des Fischer-Tropsch-Verfahrens begünstigen. Die ätzende Lösung unterstützt gleichzeitig den zweiten Umwandlungsschritt, weil sie in den Zeolithporen Stellen schafft, die sich beim Cracking als Katalysatoren verhalten.
Verklumpte der Katalysator bislang häufig, schützen die neuen Nanoreaktoren ihn im Hohlraum besser. »In unserem Nanoreaktor bilden sich diese Klumpen, die die Gesamtfläche des Katalysators und somit seine Wirksamkeit verringern, nicht«, sagt Jeroen van Bokhoven, Leiter des Labors für Nachhaltige Chemie und Katalyse am PSI und Professor an der ETH Zürich. Weil die Hohlräume des Nanokristall die Katalysatorpartikel einschließen, ist deren Beweglichkeit stark einschränkt. »Es ist das erste Mal, dass ein multifunktioneller Nanoreaktor aus Zeolith-Kristallen gebaut wurde«, so van Bokhoven weiter. »Damit vereinen wir erstmals in einem Reaktor die hohe Ausbeute, die die poröse Struktur eines Zeoliths bietet, mit der Fähigkeit, zwei Reaktionsschritte hintereinander in ein und demselben Reaktor auszuführen.«
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