In Zeiten des anthropogenen Klimawandels, der vor allem durch die Verbrennung fossiler Rohstoffe verursacht wird, ist die Entwicklung erneuerbarer Energietr\u00e4ger von gro\u00dfer Bedeutung.[1] Dar\u00fcber hinaus leiden viele st\u00e4dtische Gebiete unter Luftverschmutzung, die insbesondere durch den Verkehrssektor hervorgerufen wird.[2] Dimethoxymethan (DMM, oder OME1), der k\u00fcrzeste 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\u00fcckt DMM die Ru\u00dfbildung bei der Verbrennung im Dieselmotor und setzt somit die typische Ru\u00df-NOx-Schere au\u00dfer 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\u00e4chst aus der Reduktion von CO2 und H2 gewonnen. In einem n\u00e4chsten Schritt wird Methanol anteilig zu Formaldehyd (FA) und H2O oxidiert. FA reagiert anschlie\u00dfend 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\u00fcrzlich mit einem hochselektiven, bifunktionellen Cu\/H\u03b2-Zeolith-Katalysator realisiert.[6,7] F\u00fcr die hohe Selektivit\u00e4t zu DMM (81,5 % bei 200 \u00b0C nach 13 h) sind das Zusammenspiel von sowohl dehydrierender (Cu-Nanopartikel) als auch Lewis-saurer Funktionalit\u00e4t (hohes Si\/Al-Verh\u00e4ltnis des Zeolithen) des Katalysators verantwortlich. Die Herausforderungen beim Einsatz des Cu\/H\u03b2-Katalysators sind allerdings die lange Induktionszeit von 13 h und eine geringe Stabilit\u00e4t und Aktivit\u00e4t.<\/p>\n
Um diese Herausforderungen anzugehen, sollen in diesem Promotionsvorhaben systematisch neue bifunktionelle Katalysatoren mit dehydrierender und Lewis-saurer Funktionalit\u00e4t entwickelt werden. Dabei bieten sich Ag, Au und ZnO als aktive, dehydrierende Metalle [8] sowie das reduzierbare TiO2 als Tr\u00e4germaterial mit intrinsischer Lewis-Azidit\u00e4t an, welche durch Dotierung und Temperaturbehandlung ma\u00dfgeschneidert werden kann.[9] Das Ziel ist es, deutlich h\u00f6here Ums\u00e4tze bei \u00e4hnlicher oder verbesserter Selektivit\u00e4t verglichen mit dem bekannten Cu\/H\u03b2 Katalysator zu erreichen. Dabei soll auch die Struktur-Aktivit\u00e4tsbeziehung mittels verschiedener Charakterisierungsmethoden untersucht werden.<\/p>\n
Doch selbst mit einem h\u00f6chstselektiven Katalysator und vollem Umsatz im thermodynamischen Gleichgewicht bei relativ hohen Temperaturen (240 \u00b0C) liegt die DMM Ausbeute unter 8 %.[6] Eine vielversprechende M\u00f6glichkeit, diese Limitierung zu umgehen, ist eine in situ Abtrennung von H2 vom Reaktionsgemisch, um das Gleichgewicht in Richtung DMM zu verschieben. Ein diesbez\u00fcglich bereits bekanntes System ist ein Membranreaktor mit einer por\u00f6sen 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\u2013124.<\/p>\n
[4]\u00a0S. Deutz et al., Energy Environ. Sci. 2018, 11, 331\u2013343.<\/p>\n
[5]\u00a0R. Sun et al., ACS Catal. 2019, 9, 1298\u20131318.<\/p>\n
[6]\u00a0R. Sun et al., Sustain. Energy Fuels 2020.<\/p>\n
[7]\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]\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 P. Sudarsanam et al., ACS Catal. 2020, 10, 9555\u20139584.<\/p>\n
[10]\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 S. Abate et al., Appl Catal A Gen 2011, 391, 158-168.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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