In Zeiten des anthropogenen Klimawandels, der vor allem durch die Verbrennung fossiler Rohstoffe verursacht wird, ist die Entwicklung erneuerbarer Energietr\u00c3\u00a4ger von gro\u00c3\u0178er Bedeutung.[1] Dar\u00c3\u00bcber hinaus leiden viele st\u00c3\u00a4dtische Gebiete unter Luftverschmutzung, die insbesondere durch den Verkehrssektor hervorgerufen wird.[2] Dimethoxymethan (DMM, oder OME1), der k\u00c3\u00bcrzeste der homologen Oxymethylether (OMEx) mit der allgemeinen Struktur H3C-O-(CH2O)x-CH3, ist ein vielversprechender Dieselzusatz, der das Potenzial hat, beide Probleme anzugehen.<\/p>\n
Durch den hohen Sauerstoffgehalt und dem Fehlen von C-C-Bindungen unterdr\u00c3\u00bcckt DMM die Ru\u00c3\u0178bildung bei der Verbrennung im Dieselmotor und setzt somit die typische Ru\u00c3\u0178-NOx-Schere au\u00c3\u0178er Kraft.[3] Zudem wird intensiv daran geforscht, DMM nachhaltig aus CO2 und erneuerbaren H2-Quellen zu produzieren.[4] Leider basiert die etablierte Synthese von DMM auf einem oxidativen, H2-defizienten Prozess. Hier wird Methanol zun\u00c3\u00a4chst aus der Reduktion von CO2 und H2 gewonnen. In einem n\u00c3\u00a4chsten Schritt wird Methanol anteilig zu Formaldehyd (FA) und H2O oxidiert. FA reagiert anschlie\u00c3\u0178end mit weiterem Methanol in einer Acetalisierung und Kondensation zu DMM. Im Gegensatz dazu ist die nicht-oxidative Dehydrierung (NOD) von Methanol zu DMM sehr attraktiv. Der entscheidende Unterschied zur oxidativen Route ist, dass im ersten Schritt bei der Oxidation von Methanol zu FA der entstehende H2 nicht zu H2O oxidiert wird, sondern als wertvolles Koppelprodukt erhalten bleibt. Somit kann ein potenziell geschlossener H2-Kreislauf zwischen Methanol- und DMM-Synthese realisiert werden, was eine H2-effiziente, nachhaltige Herstellung von DMM bedeutet.[5]<\/p>\n
Die NOD von Methanol zu DMM in der Gasphase in einem Festbett-Durchflussreaktor ist ein attraktiver Weg zur technischen Umsetzung. Am Lehrstuhl von Frau Prof. Palkovits wurde dieser k\u00c3\u00bcrzlich mit einem hochselektiven, bifunktionellen Cu\/H\u00ce\u00b2-Zeolith-Katalysator realisiert.[6,7] F\u00c3\u00bcr die hohe Selektivit\u00c3\u00a4t zu DMM (81,5 % bei 200 \u00c2\u00b0C nach 13 h) sind das Zusammenspiel von sowohl dehydrierender (Cu-Nanopartikel) als auch Lewis-saurer Funktionalit\u00c3\u00a4t (hohes Si\/Al-Verh\u00c3\u00a4ltnis des Zeolithen) des Katalysators verantwortlich. Die Herausforderungen beim Einsatz des Cu\/H\u00ce\u00b2-Katalysators sind allerdings die lange Induktionszeit von 13 h und eine geringe Stabilit\u00c3\u00a4t und Aktivit\u00c3\u00a4t.<\/p>\n
Um diese Herausforderungen anzugehen, sollen in diesem Promotionsvorhaben systematisch neue bifunktionelle Katalysatoren mit dehydrierender und Lewis-saurer Funktionalit\u00c3\u00a4t entwickelt werden. Dabei bieten sich Ag, Au und ZnO als aktive, dehydrierende Metalle [8] sowie das reduzierbare TiO2 als Tr\u00c3\u00a4germaterial mit intrinsischer Lewis-Azidit\u00c3\u00a4t an, welche durch Dotierung und Temperaturbehandlung ma\u00c3\u0178geschneidert werden kann.[9] Das Ziel ist es, deutlich h\u00c3\u00b6here Ums\u00c3\u00a4tze bei \u00c3\u00a4hnlicher oder verbesserter Selektivit\u00c3\u00a4t verglichen mit dem bekannten Cu\/H\u00ce\u00b2 Katalysator zu erreichen. Dabei soll auch die Struktur-Aktivit\u00c3\u00a4tsbeziehung mittels verschiedener Charakterisierungsmethoden untersucht werden.<\/p>\n
Doch selbst mit einem h\u00c3\u00b6chstselektiven Katalysator und vollem Umsatz im thermodynamischen Gleichgewicht bei relativ hohen Temperaturen (240 \u00c2\u00b0C) liegt die DMM Ausbeute unter 8 %.[6] Eine vielversprechende M\u00c3\u00b6glichkeit, diese Limitierung zu umgehen, ist eine in situ Abtrennung von H2 vom Reaktionsgemisch, um das Gleichgewicht in Richtung DMM zu verschieben. Ein diesbez\u00c3\u00bcglich bereits bekanntes System ist ein Membranreaktor mit einer por\u00c3\u00b6sen Keramik-Membran, die mit Pd- bzw. einer Pd-Legierung beschichtet ist.[10] Daher soll in diesem Promotionsvorhaben ein solcher Membranreaktor entwickelt werden.<\/p>\n
Insgesamt soll ein leistungsstarkes katalytisches Verfahren entstehen, dass einen energie- und H2-effizienten Zugang zu DMM als aussichtsreichem synthetischen Kraftstoff erlaubt.<\/p>\n
[1] O. Edenhofer et al. (Ed.), Assessment report \/ IPCC, Vol. 5,3, Cambridge Univ. Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2014, Vol. 5,3.<\/p>\n
[2] WHO, IARC: Diesel engine exhaust carcinogenic. press release no. 213, Lyon, 2012.<\/p>\n
[3] C. H. Gierlich et al., Chem.-Ing.-Tech. 2020, 92, 116\u00e2\u20ac\u201c124.<\/p>\n
[4]\u00c2\u00a0S. Deutz et al., Energy Environ. Sci. 2018, 11, 331\u00e2\u20ac\u201c343.<\/p>\n
[5]\u00c2\u00a0R. Sun et al., ACS Catal. 2019, 9, 1298\u00e2\u20ac\u201c1318.<\/p>\n
[6]\u00c2\u00a0R. Sun et al., Sustain. Energy Fuels 2020.<\/p>\n
[7]\u00c2\u00a0C. Mebrahtu et al., manuscript submitted for publication. 2020.<\/p>\n
[8] W. Dai et al., in Handbook of heterogeneous catalysis. 2., completely rev. and enl. ed. ed. (Eds.: G. Ertl et al.), Wiley-VCH, Weinheim, 2008.<\/p>\n
[9]\u00c2\u00a0\u00c2\u00a0\u00c2\u00a0\u00c2\u00a0\u00c2\u00a0\u00c2\u00a0\u00c2\u00a0 P. Sudarsanam et al., ACS Catal. 2020, 10, 9555\u00e2\u20ac\u201c9584.<\/p>\n
[10]\u00c2\u00a0\u00c2\u00a0\u00c2\u00a0\u00c2\u00a0\u00c2\u00a0 S. Abate et al., Appl Catal A Gen 2011, 391, 158-168.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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