Ein Forschungsprojekt an der Universität Innsbruck brachte neue Befunde zur Methan Trockenreformierung. Der Prozess wurde am Modellkatalysator transparent gemacht und zeigte eine Lösung für das Problem der Verkokung.
Methan zählt zu den schädlichsten Gasen seiner Art und trägt circa zwanzig Prozent zum anthropogenen Treibhauseffekt bei. Freigesetzt wird das Treibhausgas hauptsächlich bei der Magenfermentierung von Nutztieren und bei der Erdgas- und Ölgewinnung.
Forschungsziel des Teams um Bernhard Klötzer vom Institut für Physikalische Chemie an der Universität Innsbruck, war die Entwicklung eines Verfahrens, in dem Methan recycelt werden kann. Im Fokus stand der Prozess der Methan Trockenreformierung, der Methan gemeinsam mit Kohlendioxid in nützliches Synthesegas umwandeln und industriell nutzbar machen kann. „Methan zersetzt sich an Palladium“, erklärt Klötzer, weshalb eine zirconium-assistierte Aktivierung von Palladium zur Anwendung kam.
Test unter realen Bedingungen
Das Team von Klötzer kooperierte mit der Max-Planck-Gesellschaft Berlin, dem Helmholtz-Zentrum Berlin, dem Lawrence Berkeley National Laboratory und der TU Berlin. Das Synchotron BESSY des Helmholtz-Zentrums für Materialien und Energie ermöglichte eine hochaufgelöste Beobachtung der Methan Trockenreformierung mit Reaktions-Zwischenstufen – unter realen Bedingungen. Die Analyse wurde an der Station ISISS durchgeführt, der Innovative Station For In Situ Spectroscopy, welche monochromatische Röntgenstrahlen in hoher Brillanz liefert.
„In einem industriell genutzten Katalysator sehen wir nur Start- und Endprodukte. Die Analyse am Synchotron Bessy zeigt auch die Reaktions-Zwischenstufen der Trockenreformierung und lässt uns die ablaufenden Prozess besser verstehen”, erklärt Klötzer.
Beeinflussung des Verkokungseffekts
Im Projekt gelang es den unerwünschten Verkokungseffekt auszuschalten. Dieser stellt ein großes Problem für die industrielle Nutzung dar. Wenn Kohlenstoff während der Katalyse nicht mehr effizient gelöst werden kann, lagert sich dieser in unreaktiver Form ab. Es kommt zur Verkokung des Katalysators. Klötzer: „Damit wird der Prozess für einen industriellen Einsatz ineffizient.“ Die irreversiblen Verkokungseffekte haften besonders den kostengünstigeren Nickelkatalysatoren an. Durch die Verwendung von Edelmetallkatalysatoren kann die Verkokung verringert werden kann.
Gelöster Kohlenstoff in Palladium
Durch die Beobachtung der Reaktions-Zwischenstufen der Trockenreformierung konnte in den Tests am Synchotron Bessy gelöstes Kohlenstoff in Palladium nachgewiesen werden. Klötzer: „Wenn sich Methan an Palladium zersetzt, entsteht an der Oberfläche Kohlenstoff, der in gelöster Form in das Volumen eindringen (fusionieren) kann.
Der Befund zeigt, dass der Vorgang beeinflussbar ist. Die unreaktive Kohlenstoffart kann effizient in reaktiven, gelösten atomaren Kohlenstoff umgewandelt werden. Beschleunigt werde diese Umwandlung durch eine entsprechende Katalysatorzusammensetzung und -grenzfläche. Wobei die zirconium-assistierte Aktivierung von Palladium eine geeignete Anwendung darstelle, so Klötzer.
Fortschritt für Trockenreformier-Katalysatoren
Die Arbeit ist im Bereich der anwendungsorientierten Grundlagenforschung angesiedelt, aber Klötzer ist überzeugt, dass die Erkenntnisse die industrielle Entwicklung von Trockenreformier-Katalysatoren für den Recyclingprozess von Methan und Kohlendioxid vorantreiben werden. Zunächst müsse allerdings das komplexe Reaktionsnetzwerk der Trockenreformierung um diesen neuen Aspekt erweitert werden, um eine verbesserte Modellierung bzw. Optimierung am Computer zu ermöglichen.
Die Relevanz der Entwicklung bemisst sich daran, dass Synthesegas in hohem Maß industriell genutzt wird – unter anderem zur Erzeugung von synthetischem Diesel. Dieser kommt zum Beispiel in Gas-to-Liquid angereicherten Kraftstoffen an Tankstellen zur Anwendung. Synthetische Kraftstoffe erzielen bessere Abgaswerte als herkömmliche Dieselkraftstoffe.
