Selektive Umwandlung von CO₂ in Dimethylether an hydrophoben und Gallium-modifizierten Kupferkatalysatoren

Die selektive Umwandlung von CO2 und H2 in wertvolle Chemikalien und Kraftstoffe ist ein vielversprechender Weg für das Kohlenstoffrecycling. Für die CO2-Hydrierung zu Methanol, höheren Alkoholen, Dimethylether (DME), Aromaten, Kohlenwasserstoffen und Olefinen wurden mehrere Wege entwickelt. Unter diesen Produkten ist DME attraktiv, weil es ungiftig und nicht korrosiv ist und als Plattformchemikalie in der Industrie, als Trägerstoff für Wasserstoff und als Additiv für Kraftstoffe verwendet wird.

Eine Reihe von Katalysatoren wurde für die direkte Hydrierung von CO2 zu DME über eine Kaskadenkatalyse mit Methanolsynthese und Methanolkondensation zu DME über einem Kupferträgerkatalysator synthetisiert. Allerdings wurde eine hohe DME-Selektivität nur bei geringer CO2-Umwandlung erreicht, was zu einer schlechten One-Pass-Produktivität führte.

Als die CO2-Umwandlung zunahm, entstanden zahlreiche Nebenprodukte von CO, Methanol und Kohlenwasserstoffen. Ein aktueller Trend ist die Umwandlung von CO2 in DME über bifunktionelle Katalysatoren, wie z. B. Kupfernanopartikel auf Säureoxidträger, deren Leistung jedoch immer noch unbefriedigend ist. Darüber hinaus wurden die Kupfer-Nanopartikel während der Katalyse gesintert, was zu einer schlechten Haltbarkeit führte.

Kürzlich hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Feng-Shou Xiao und Prof. Liang Wang von der Zhejiang-Universität, China, diese Einschränkungen überwunden, indem es einen hochaktiven, selektiven und langlebigen Kupfer-Nanopartikel-Katalysator für die Umwandlung von CO2 in DME entwickelt hat. Dies wurde erreicht, indem Cu-Nanopartikel auf hydrophobe und Ga-modifizierte Silica-Träger geladen wurden. Das Ga-modifizierte Siliciumdioxid lieferte eine mäßige Säure für die Dehydratisierung von Methanol zu DME, was eine tiefe Dehydratisierung zu Kohlenwasserstoffen verhinderte.

Wichtig ist, dass die hydrophobe Katalysatoroberfläche das Sintern der Cu-Nanopartikel, das normalerweise durch Wasser und Methanol ausgelöst wird, wirksam verhindert. Folglich betrug unter den folgenden Reaktionsbedingungen (6000 ml gcat–1·h–1, 3 MPa, 240 °C) die CO2-Umwandlung 9,7 %, die DME- und Methanol-Selektivitäten 59,3 % bzw. 28,4 % und die CO-Selektivität nur 11,3 % wurden erhalten. In einer kontinuierlichen Bewertung über 100 Stunden blieb die Leistung gut erhalten, ohne dass es zu einer Desaktivierungstendenz kam, und übertraf damit die Leistung allgemeiner Cu-Trägerkatalysatoren.

Die Forschung ist veröffentlicht im Chinesisches Journal für Katalyse.