Bessere Katalysatoren für die Erdölindustrie

Zeolithe geh?ren zu den Stoffen, welche chemische Reaktionen beschleunigen k?nnen ¨C es sind sogenannte Katalysatoren. Meist liegen sie in Pelletform vor, und besonders bei der industriellen Herstellung von Benzin oder Heiz?l aus Roh?l sind sie nicht wegzudenken. Die chemischen Reaktionen finden dabei an ihrer Oberfl?che statt. Und diese sind bei Zeolithen gross: Die Katalysatoren sind mit Nano-Poren und mikroskopisch kleinen Kan?len durchsetzt, durch welche die fl¨¹ssigen Reaktionspartner eindringen und die Reaktionsprodukte sie wieder verlassen k?nnen.

Eines der Hauptprobleme beim industriellem Einsatz von Zeolith-Katalysatoren ist, dass Reaktionsnebenprodukte die Poren verstopfen oder die aktiven Stellen der Katalysatoren blockieren. Koksdeposite nennen Experten solche Kohlenwasserstoffablagerungen. In regelm?ssigen Abst?nden muss der Produktionsprozess daher unterbrochen werden, um die Ablagerungen auf den Katalysatoren zu verbrennen und letztere damit zu regenerieren. Dies schm?lert die Effizienz der Reaktion.

Es kommt auf die innere Struktur an

Wissenschaftler arbeiten deshalb daran, die Zeolith-Katalysatoren widerstandsf?higer gegen solche Ablagerungen zu machen, dadurch die Notwendigkeit einer Regeneration hinauszuz?gern und die Produktionszyklen zu verl?ngern. ETH-Forschende unter der Leitung von Javier P¨¦rez-Ram¨ªrez, Professor f¨¹r Katalyse-Engineering, haben nun bei einer neuen Klasse von komplex aufgebauten Zeolith-Katalysatoren mit Poren unterschiedlicher Gr?ssenordnugnen herausgefunden, inwieweit ihre innere Struktur mit dieser Widerstandskraft zusammenh?ngt: ?Es kommt nicht darauf an, dass der Katalysator m?glichst viele Poren aufweist, wie es die bisherige Auffassung war?, sagt Sharon Mitchell, Wissenschaftlerin in der Gruppe von P¨¦rez-Ram¨ªrez. ?Vielmehr ist es von zentraler Bedeutung, dass das mikroskopisch feine Hohlraumsystem im Innern der Zeolith-Katalysatoren stark vernetzt ist und zahlreiche ?ffnungen gegen Aussen aufweist.? Durch diese k?nnen die chemischen Verbindungen besser ins Katalysator-Innere eindringen und an der vergr?sserten Oberfl?che reagieren.

Die Forschenden kamen zu dieser Erkenntnis, indem sie im Labor Zeolith-Katalysatoren mit unterschiedlicher Porenstruktur herstellten. Um dies zu erreichen, variierten sie die Herstellungsmethoden und Synthesebedingungen. Die Katalysatoren untersuchten sie anschliessend unter anderem in Zusammenarbeit mit Paolo Crivelli, Wissenschaftler am Departement Physik, mit der Positronen-Annihilations-Lebensdauer-Spektroskopie (PALS). Mit dieser Technik wird untersucht, wie lange in die Probe gebrachte Positronen darin verbleiben. Je vernetzter die Poren sind und je zahlreicher die ?ffnungen, desto schneller gelangen die Positronen nach Aussen. Ausserdem testeten die Wissenschaftler die verschiedenen Zeolith-Katalysatoren im Labor darauf, wie schnell sie Koksdeposite bildeten.

Nicht nur besser, auch g¨¹nstiger

?Interessanterweise ist die Methode, mit welcher wir die widerstandsf?higsten Zeolithe herstellen konnten, zugleich auch die g¨¹nstigste?, sagt P¨¦rez-Ram¨ªrez. Er rechnet damit, dass die Ergebnisse der Studie, die in der Fachzeitschrift ?Nature Communications? erschien, die Industrie dazu animieren wird, ihre Zeolith-Herstellungsprozesse anzupassen.

Zeolith-Katalysatoren werden heute in der Erd?lindustrie im grossen Massstab eingesetzt, um hochwertige Treibstoffe, Brennstoffe und Grundstoffe f¨¹r die chemische Industrie herzustellen. Einerseits k?nnen damit die langkettigen Molek¨¹le im Roh?l in h?herwertige Molek¨¹le mittlerer Kettenl?nge umgewandelt werden. Andererseits ist es mit Zeolithen m?glich, minderwertige Raffinerie-Nebenprodukte mit sehr kurzen Kohlenwasserstoffketten ¨C etwa Ethen und Propen ¨C zusammenzuf¨¹gen, um daraus ebenfalls h?herwertige Produkte mittlerer Kettenl?nge zu erhalten.

?Auch wenn dereinst Erd?l als wichtiges chemisches Ausgangsprodukt nach und nach von Biomasse abgel?st werden sollte, werden Zeolith-Katalysatoren ihre Bedeutung behalten?, sagt P¨¦rez-Ram¨ªrez. Mithilfe von Zeolith-Katalysatoren k?nnten daraus auf effiziente Weise hochwertige chemische Grundstoffe produziert werden.