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Ein Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM) unter Leitung des Chemikers Johannes Lercher hat ein Syntheseverfahren entwickelt, mit dem sich die Aktivität von Katalysatoren zur Erdöl-Entschwefelung um ein Vielfaches steigern lässt. Das neue Verfahren lässt sich möglicherweise auch für Katalysatoren in Brennstoffzellen einsetzen.
Erdöl enthält sehr viel Schwefel. Um daraus Kraftstoffe zu machen, müssen die Schwefelverbindungen mit Hilfe von Wasserstoff entfernt werden. Hydrotreating nennen Fachleute dieses Verfahren, das mit Hilfe von Katalysatoren realisiert wird.
Unter der Leitung von Prof. Johannes Lercher und Dr. Hui Shi hat ein Forscherteam am Lehrstuhl für Technische Chemie II der TU München nun ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die Aktivität dieser Katalysatoren um ein Vielfaches steigern lässt: Sie behandelten dazu die katalytisch aktiven Metallsulfide vorab mit konzentrierter Salzsäure.
Wichtig für die Umwelt
Das Hydrotreating ist einer der wichtigsten, katalytischen Prozesse – sowohl im Hinblick auf die eingesetzten Katalysatormengen als auch in Bezug auf die Menge der verarbeiteten Rohstoffe. Mit Wasserstoff unter hohem Druck werden dabei Verunreinigungen wie Schwefel- oder Stickstoffverbindungen möglichst vollständig aus dem Rohöl entfernt.
„Derartige Verunreinigungen würden später zu Schwefeldioxid und Stickoxiden verbrennen, was negative Auswirkungen auf die Umwelt, vor allem auf die Luftqualität zur Folge hätte“, sagt Manuel Wagenhofer, Erstautor der in Science Advances veröffentlichten Studie. Zudem würden Schwefel- und Stickstoffverbindungen auch Edelmetalle in Abgaskatalysatoren moderner Fahrzeuge beschädigen und ihre Wirksamkeit drastisch verringern.
Ein erstaunlicher Effekt der Salzsäure
Die TUM-Chemiker untersuchten solche Mischmetallsulfid-Katalysatoren auf ihre Wirksamkeit beim Hydrotreating. Dazu synthetisierten sie in mehreren Prozessschritten zunächst Nickel-Molybdän-Sulfide, im Anschluss behandelten sie sie mit Säure.
„Es war erstaunlich, wie stark die Zugabe von konzentrierter Salzsäure die katalytische Leistung erhöht“, sagt Wagenhofer. „Salzsäure verbessert die Zugänglichkeit zu aktiven Zentren in den Katalysatoren, indem es weniger aktive Komponenten, vor allem Nickelsulfide, entfernt. Es entstehen reinere und damit aktivere Mischmetallsulfide.“
Großer Nutzen für die Grundlagenforschung
Die Ergebnisse der TUM-Chemiker sind auch für die Grundlagenforschung von großer Bedeutung. Die gereinigten Mischmetallsulfide lassen sich nämlich wissenschaftlich leichter untersuchen.
„Wir konnten dadurch beispielsweise an den so behandelten Katalysatoren aktive Zentren identifizieren und quantifizieren“, erklärt Lercher. „Das war nur möglich, weil die Oberfläche nicht mehr mit Nickelsulfid belegt war.“
Prinzipiell lasse sich die Säurebehandlung als Untersuchungsinstrument für eine Reihe ähnlicher Katalysatoren nutzen, um diese zu optimieren, etwa auch für die Anwendung mit Ölen aus nachwachsenden Rohstoffen, die künftig in Raffinerien zu klimaneutralen Kraftstoffen umgewandelt werden sollen.
„Wenn wir Mischmetallsulfid-Katalysatoren besser verstehen, können wir sie eventuell auch für den Einsatz in anderen wichtigen Zukunftsfeldern wie Wasserelektrolyse oder Wasserstoff-Brennstoffzellen dramatisch verbessern“, sagt Johannes Lercher.
Mehr Informationen:
Teile dieser Arbeit wurden durch die Chevron Energy Technology Company und das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Verbundprojekts MatDynamics gefördert. Röntgenabsorptionsspektren wurden an der PETRA III Snychrotron Quelle des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY) in Hamburg aufgenommen.
Prof. Dr. Johannes A. Lercher
Lehrstuhl für Technische Chemie II und Zentralinstitut für Katalyseforschung
Technische Universität München
Tel.: +49 89 289 13540
E-Mail: johannes.lercher@ch.tum.de
Enhancing hydrogenation activity of Ni-Mo sulfide hydrodesulfurization catalysts.
Manuel F. Wagenhofer, Hui Shi, Oliver Y. Gutierrez, Andreas Jentys, Johannes A. Lercher.
Science Advances 2020, Vol. 6, no. 19, eaax5331, DOI: 10.1126/sciadv.aax5331
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