Methanol Steam Reforming on Perovskite based Catalysts

Abstract

Methanol Dampfreformierung (MSR) bietet eine vielversprechende Lösung für den entscheidenden Kampf gegen den Klimawandel, aufgrund des hohen Potenzials zur Produktion von Wasserstoff für die Nutzung als Energieträger. Aufgrund der erforderlichen hohen Reaktionstemperaturen und möglicher auftretender Nebenreaktionen, ist der Einsatz geeigneter Katalysatoren von entscheidender Bedeutung. Eine vielversprechende Materialklasse sind Perowskit-basierte Oxide mit einer allgemeinen Formel von ABO3. Mit geeigneten Dotierungsmaterialien für die A- oder B-Stelle kann die Zusammensetzung des Katalysators gezielt modifiziert werden, um den für MSR erforderlichen Anforderungen zu entsprechen.In dieser Arbeit wurden verschiedene B-Stellen-dotierte (B = Cu, Ni, Co) Oxidkatalysatoren mit einer allgemeinen Formel von Nd0.6Ca0.4Fe1-xBxO3 und Pr0.6Ca0.4Fe1-xBxO3 (Cu: x = 0.03, 0.05, 0.1 / Ni, Co: x = 0.1), sowie deren undotierte Grundstrukturen hinsichtlich ihrer Eignung zur Katalyse von MSR untersucht. Von besonderem Interesse, war hierbei die Starttemperatur der Reaktion, in Verbindung mit der Selektivität der jeweiligen Katalysatoren gegenüber MSR. Da die Reaktionsatmosphäre unter den vorherrschenden Reaktionsbedingungen mit Wasser gesättigt ist, gestaltete sich die Quantifizierung der Reaktionskomponenten herausfordernd. Aus diesem Grund wurde eine Kalibrierungsstrategie für ein Massenspektrometer (MS), in Kombination mit der Entwicklung eines Python-Toolkits zur automatisierten Auswertung der erfassten Daten, angewendet. Dies ermöglichte den Vergleich der katalytischen Aktivitäten der untersuchten Materialien, anhand der so erhaltenen quantitativen Datensätze. Zusätzlich wurden operando XRD-Messungen an der Beamline P02.1. am DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron) durchgeführt, um mögliche Phasenänderungen während der Reaktion zu untersuchen.Es konnte gezeigt werden, dass sämtliche Materialien katalytische Aktivität bezüglich Temperatur und Ausbeute der gewünschten Produkte aufwies. Die Dotierung der B-Stelle mit Cu, Ni und Co konnte mit einer Erhöhung der katalytischen Aktivität in Verbindung gebracht werden. Die unerwünschte Bildung von CO konnte bei höheren Temperaturen für alle untersuchten Materialien beobachtet werden, wobei das Ausmaß von der Grundstruktur und dem verwendeten Dotierungselement abhängig war. Von den getesteten Materialkombinationen stachen besonders die Katalysatorgruppen Nd0.6Ca0.4Fe1-xCuxO3 und Pr0.6Ca0.4Fe1-xCuxO3 (x = 0.03, 0.05, 0.1) durch ihre hohe Selektivität von 100 % bei Temperaturen von bis zu 340 °C hervor. Diese hohe Selektivität in Kombination mit einer hohen katalytischen Aktivität bei niedrigeren Temperaturen machen Cu-basierte Materialien besonders interessant für die zukünftige Forschung auf dem Gebiet der Methanol-Dampfreformierung.