Bernhard Klötzer, Norbert Köpfle und Simon Penner (v.l.n.r.) konnten am Modellkatalysator erstmals wichtige Zwischenschritte in der Methan-Trockenreformierung nachweisen.

Treib­haus­gase recy­celn

Wissenschaftler der Universität Innsbruck konnten am Modell­katalysator erstmals wichtige Zwischenschritte in der Methan-Trockenreformierung nachweisen, die das Recyceln von Treibhausgasen einen Schritt voran treiben könnten.

Methan ist eines der schädlichsten Treibhausgase und trägt aufgrund seiner hohen Wirkung - es ist 25-mal so wirksam wie Kohlendioxid (CO2) - mit rund 20 Prozent zum anthropogenen Treibhauseffekt bei. Frei wird es hauptsächlich bei der Magenfermentierung von Nutztieren und bei der Erdgas- und Ölgewinnung. Assoz. Prof. Dr. Bernhard Klötzer von der Universität Innsbruck hat gemeinsam mit seinen Kollegen einen Prozess genauer untersucht, mit dem Methan gemeinsam mit dem bekannteren Treibhausgas Kohlendioxid recycelt werden könnte. „Mithilfe der Trockenreformierung ist es möglich, Methan und Kohlendioxid in nützliches Synthesegas umzuwandeln. Dieses wird in sehr großem Maßstab industriell genutzt – unter anderem zur Erzeugung von synthetischem Diesel, wie er beispielsweise in ´Gas-to-Liquid´ angereicherten Kraftstoffen an Tankstellen angeboten wird“, erläutert Bernhard Klötzer.

Internationale Zusammenarbeit

Am Synchotron BESSY des Helmholtz-Zentrums für Materialien und Energie in Berlin gelang es den Wissenschaftlern um den Chemiker, die Reaktionszwischenstufen der Trockenreformierung unter realen Reaktionsbedingungen mit hoher Auflösung zu beobachten. „In einem industriell genutzten Katalysator sehen wir nur Start- und Endprodukte, die genaue Analyse der Reaktionszwischenstufen, die wir am Synchrotron BESSY vornehmen konnten, ermöglichen uns allerdings den Prozess besser zu verstehen und somit Optimierungspotenzial aufzuzeigen“, erläutert Bernhard Klötzer. Im Zuge ihrer Untersuchungen konnten die Chemiker erstmals gelösten Kohlenstoff in Palladium als Reaktionszwischenstufe der Trockenreformierung unter praxisnahen Modellbedingungen nachweisen. „Dieses Ergebnis hilft einerseits, Licht in das Verständnis des Prozesses der Trockenreformierung zu bringen, es hat aber auch ganz praktische Vorteile – zeigt es doch auf, wie der Katalyse-Prozess von Methan und Kohlendioxid optimiert und somit für die industrielle Nutzung realistischer gemacht werden könnte“, freut sich Bernhard Klötzer.

Problem Verkokung

Vor allem bei kostengünstigeren Nickelkatalysatoren stellen unerwünschte Verkokungs-Effekte für die industrielle Nutzung ein großes Problem dar. „Wenn Kohlenstoff während der Katalyse nicht mehr effizient gelöst werden kann, reagiert er nicht weiter, sondern lagert sich in unreaktiver Form ab und führt zu einer sogenannten Verkokung – der Katalysator wird irreversibel blockiert. Damit wird der Prozess für einen industriellen Einsatz ineffizient“, erklärt Klötzer. „Ein wesentlicher Punkt – vor allem beim industriellen Einsatz der Trockenreformierung - ist es also, möglichst viel gelösten und somit reaktiven Kohlenstoff zu haben, um die Verkokungs-Effekte gering zu halten.“ In Zusammenarbeit mit der Max-Planck-Gesellschaft Berlin, dem Helmholtz-Zentrum Berlin, dem Lawrence Berkeley National Laboratory und der TU Berlin konnte Klötzer mit seiner Arbeitsgruppe am Institut für Physikalische Chemie nun erstmals diesen gelösten Kohlenstoff in Palladium als Reaktionszwischenstufe der Trockenreformierung unter industriell relevanten Modellbedingungen nachweisen. Die Tests der Wissenschaftler am Synchrotron BESSY in Berlin und am Synchrotron ALS in Berkeley belegen, dass ungelöster, graphitischer Kohlenstoff viel langsamer reagiert und so zu einer zunehmenden Verkokung des Katalysators führt. „Ziel ist es also, den Vorgang so zu beeinflussen, dass diese unreaktive Kohlenstoffart so effizient wie möglich in reaktiven, gelösten atomaren Kohlenstoff umgewandelt wird“, erklärt Klötzer. Beschleunigt wird diese Umwandlung durch eine entsprechende Katalysatorzusammensetzung und-grenzfläche. „Die Tests am Modell haben gezeigt, dass sich Palladium sehr gut eignet, um diese gewünschte Reaktivierung zu verbessern“, erklärt Klötzer, der allerdings betont, dass zuerst einmal das komplexe Reaktionsnetzwerk der Trockenreformierung um diesen neuen Aspekt erweitert werden muss, um eine verbesserte Modellierung bzw. Optimierung am Computer zu erlauben. Optimiert man das System dahingehend, dass der graphitische Kohlenstoff rascher gelöst wird und somit effizienter abreagieren kann, das heißt effektiv gar nicht erst an der Oberfläche angereichert wird, behindert er den Gesamtprozess kaum noch und als Endprodukt entsteht mit hoher Effizienz Synthesegas, das bereits industriell zum Einsatz kommt. „Auch wenn unsere Arbeit im Bereich der anwendungsorientierten Grundlagenforschung angesiedelt ist, sind wir überzeugt, dass diese Ergebnisse einen substanziellen Schritt darstellen, der die industrielle Entwicklung von Trockenreformier-Katalysatoren für den Recyclingprozess von Methan und Kohlendioxid wesentlich vorantreiben könnte“, so Klötzer.

Dieser Beitrag ist in der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins „zukunft forschung“ erschienen.

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