Neue Katalysatoren für eine verbesserte Methanolproduktion mittels Kohlendioxid-Dehydrierung

Wissenschaftler der Tokyo Tech haben gezeigt, dass die Einkapselung von Kupfernanopartikeln in hydrophobe, poröse Silikatkristalle die katalytische Aktivität von Kupfer-Zinkoxid-Katalysatoren, die bei der Methanolsynthese durch CO2-Hydrierung verwendet werden, deutlich steigert.

Die innovative Verkapselungsstruktur verhindert wirksam die thermische Aggregation von Kupferpartikeln, was zu einer verbesserten Hydrierungsaktivität und einer erhöhten Methanolproduktion führt. Dieser Durchbruch ebnet den Weg für eine effizientere Methanolsynthese aus CO2.

Kohlendioxid-Emissionen (CO2) tragen maßgeblich zur globalen Erwärmung bei und machen deutlich, wie dringend Maßnahmen zur Emissionsreduzierung erforderlich sind. Daher suchen Forscher nach Alternativen zu fossilen Brennstoffen, der Hauptquelle von CO2-Emissionen.

Methanol erweist sich als vielseitiger und kostengünstiger Kraftstoff und stellt eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Kraftstoffen dar. Darüber hinaus wird bei den Bemühungen, die Auswirkungen dieser Emissionen zu verringern, viel Wert auf Technologien zur CO2-Abscheidung und -Verwertung gelegt.

Bei diesen innovativen Ansätzen geht es darum, CO2 aus der Atmosphäre zu gewinnen und in höherwertige Produkte umzuwandeln. Als besonders vielversprechende Methode unter diesen Technologien gilt die Methanolsynthese durch CO2-Hydrierung.

Für die Methanolsynthese durch CO2-Hydrierung sind niedrigere Reaktionstemperaturen vorzuziehen, da während der Reaktion Wärme freigesetzt wird. Dementsprechend konzentrierten sich die Studien auf die Entwicklung von Katalysatoren, die bei niedrigen Temperaturen hohe Aktivitäten aufweisen.

Katalysatoren auf Basis von Kupfer-Zinkoxid (Cu-ZnO) sind für diesen Zweck besonders geeignet, da sie eine Cu-ZnO-Grenzfläche bilden können, die CO2 bindet und in Formiat-Zwischenprodukte umwandelt, die wiederum die Methanolproduktion fördern. Die Vergrößerung der Oberfläche dieser Grenzfläche ist eine effektive Möglichkeit, die Produktion zu verbessern, was durch eine Erhöhung der Dispersion von Cu-Nanopartikeln erreicht werden kann.

Cu-Nanopartikel sind jedoch thermisch instabil und aggregieren während der Katalysatorherstellung und -reaktion, wodurch die Grenzflächenfläche verringert wird. Darüber hinaus beschleunigt die Bildung von Wasser als Nebenprodukt der Methanolsynthese die Cu-Aggregation und hemmt die Formiatbildung.

Um diese Probleme zu lösen, entwickelte ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Teruoki Tago von der Abteilung für chemische Wissenschaften und Ingenieurwissenschaften der Fakultät für Materialien und chemische Technologie des Tokyo Institute of Technology neuartige, in Silicalite-1 (S-1) gekapselte Cu-ZnO-Katalysatoren.

„Untersuchungen zeigen, dass die Einkapselung von Metallen in porösen Trägern wie Siliciumdioxid oder Zeolith die thermische Aggregation wirksam verringert. Daher haben wir uns auf die Entwicklung eines neuartigen und effizienten Cu-basierten Katalysators für die Methanolproduktion durch CO2-Hydrierung konzentriert, wobei wir besonderen Wert auf die Einkapselung von Cu-Nanopartikeln in porösen Materialien gelegt haben“, erklärte Tago.

Ihre Studie wurde veröffentlicht in Zeitschrift für Chemieingenieurwesenam 1. April 2024.

Die Forscher stellten zwei Arten von Katalysatoren her: einen Cu/S-1-Katalysator, bei dem hydrophober S-1 durch Imprägnierung mit Kupfer beladen wurde, und einen Cu@S-1-Katalysator, bei dem ein Cu-Phyllosilikatpulver (CuPS) als Metallquelle verwendet wurde, um Cu-Partikel im S-1-Zeolith einzukapseln.

Cu@S-1 wurde durch Reduzierung von gelöstem CuPS-Pulver hergestellt. Die Forscher untersuchten die Auflösungszeit der CuPS-Vorläufer auf die Katalysatoreigenschaften und stellten fest, dass unangemessene Auflösungszeiten die Größe der Cu-Partikel erheblich beeinflussen.

Die optimale Auflösung des Vorläufers führte zu einem Katalysator mit etwa 2,4 Nanometer großen Cu-Partikeln, die in S-1 eingekapselt waren und optimale katalytische Aktivität aufwiesen. Dieser Katalysator zeigte eine höhere Hydrierungsaktivität und Methanolproduktion als Cu/S-1.

Um die Methanolproduktion weiter zu verbessern, wurde Cu@S-1 durch Imprägnierung mit ZnO versetzt, wodurch ein ZnO/Cu@S-1-Katalysator mit feinen Cu-Partikeln entstand. Dieser Katalysator zeigte eine noch höhere Aktivität, was auf die Bildung der Cu-ZnO-Grenzfläche hindeutet.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Kapselungsstruktur mit S-1 die thermische Aggregation von Cu-Partikeln wirksam unterdrückt und gleichzeitig die schnelle Beseitigung des Wassernebenprodukts aus der Umgebung der Cu-ZnO-Grenzfläche erleichtert und so die Methanolsynthese verbessert“, bemerkte Tago.

Insgesamt zeigt diese Studie die Wirksamkeit der innovativen Kapselungsmethode zur Herstellung hochaktiver Katalysatoren und bietet einen vielversprechenden Weg für eine effiziente Methanolproduktion aus CO2.