Spektroskopische Analyse der Glycerindeoxygenierung

Dieses Forschungsprojekt befasst sich mit der globalen Notwendigkeit, von einer erdölbasierten Industrie zu einer nachhaltigen und umweltfreundlichen chemischen Produktion überzugehen. Das Ziel ist die stoffliche Verwertung von Glycerin zu Feinchemikalien. Glycerin ist ein weithin verfügbares Nebenprodukt, das bei der Herstellung nachhaltiger Kraftstoffe wie Biodiesel anfällt (ungefähr 1 Tonne Glycerin wird pro 10 Tonnen Biodiesel produziert). Der Projektschwerpunkt liegt auf dem Verständnis des katalytischen Verhaltens und der strukturellen Entwicklung des Katalysators während des Prozesses. Der in dem Projekt angewendete Prozess, um Glycerin in wertvolle Feinchemikalien wie Diole, Alkohole und Propan umzuwandeln, wird als katalytische Hydrodeoxygenierung (HDO) bezeichnet. HDO erfordert hocheffiziente Katalysatoren. Ein Katalysator ist eine Substanz, die eine chemische Reaktion beschleunigt, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Um auf die genannten Produkte zu kommen, entfernen die Katalysatoren selektiv Sauerstoffatome aus dem Glycerinmolekül. Dafür werden bimetallische Katalysatoren (M/Mo/ZrO2, wobei M für Nickel, Palladium oder Platin steht) untersucht. Das Besondere dieser Studie liegt in dem Einsatz von Operando-Techniken, was bedeutet, dass die Katalysatoren dynamisch analysiert werden, während sie aktiv die Reaktion durchführen. Dies liefert Einblicke in Echtzeit, die mit traditionellen Methoden nicht erzielt werden können. Um dies zu erreichen, wird ein speziell angefertigter Hochdruck-Durchflussreaktor verwendet, der im Vergleich zu Standard-Batch-Reaktoren eine verbesserte Kontrolle, Skalierbarkeit und Eignung für die Echtzeitanalyse gewährleistet. Die Reaktorzelle kann mit hochenergetischem Licht von Synchrotron-Teilchenbeschleunigern spektroskopisch durchleuchtet werden, und somit können die Katalysatoren während der Reaktion analysiert werden. Mithilfe von Röntgentechniken, insbesondere der Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) und der Röntgen-Paarverteilungsfunktionsanalyse (XPDF), werden die atomaren und elektronischen Strukturen des Katalysators erfasst, während er sich unter realistischen Betriebsbedingungen befindet. Dies ermöglicht, den wahren Arbeitszustand des Katalysators zu bestimmen und entscheidende strukturelle Veränderungen zu identifizieren und zu verfolgen. Darüber hinaus wird VUV-PEPICO-Spektroskopie eingesetzt, um kurzlebige, transiente Reaktionszwischenprodukte mit hoher Präzision zu identifizieren. Dies ist entscheidend, um die genauen Reaktionswege und -mechanismen zu entschlüsseln, was die Feinabstimmung der Selektivität und Leistung des Katalysators ermöglicht. Durch die direkte Verknüpfung von Katalysatorstruktur mit Aktivität und Selektivität zielt dieses Projekt auf grundlegende Erkenntnisse, die für die Entwicklung der nächsten Generation hochwirksamer und langlebiger Katalysatoren unerlässlich sind, um den Übergang zu einer ökologischen Gesellschaft zu beschleunigen.