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Aerosolprozess zur Herstellung von Nanopartikelschichten mit hierarchischer Porenstruktur für die Fischer-Tropsch-Synthese

Dipl.-Wirtschaftsing. Lintao Zeng

(gefördert durch die DFG unter der Fördernr. WE 2331/13-1/2)

 

Die Fischer-Tropsch-Synthese (FTS) ist ein heterogen katalytischer Prozess zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen, insbesondere flüssigen Kraftstoffen, aus Synthesegas (CO und H2). In den letzten Jahren rückte die Fischer-Tropsch- Synthese aufgrund zur Neige gehender Erdölreserven und in Folge dessen steigender Ölpreise wieder vermehrt in den Fokus von Forschung und Entwicklung.

 

Die Verwendung von porösen nanostrukturierten Materialien als Katalysatorträger für die Fischer-Tropsch-Synthese bietet über die gezielte  Einstellung hierarchischer Porenstrukturen eine neue Möglichkeit zur  Optimierung der katalytischen Eigenschaften hinsichtlich der Aktivität und  Selektivität. Von besonderem Interesse sind dabei die höheren  Kohlenwasserstoffe (C5+), die als Flüssigtreibstoff verwendet werden können.

 

Ziel dieses Projektes ist es, eine dreidimensionale Trägerstruktur aus SiO2-Partikeln für einen Kobaltkatalysator mit einstellbarer hierarchischer  Porengrößenverteilung für die Fischer-Tropsch-Synthese zu entwickeln (Abb. 1).

 

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Abb. 1: schematische Darstellung der porösen Nanopartikelschicht

 

Zum Aufbau der Trägerstruktur wurden zuerst poröse Building Blocks durch Sprühtrocknung einer SiO2-Suspension in der Gasphase hergestellt. Die innere Porengröße der Building Blocks wird durch Einsatz von Templaten (z.B. PVP) eingestellt. Die gasgetragenen Building Blocks werden nach ihrer Synthese auf einem Substrat abgeschieden. Dabei kommen zwei Verfahren zum Einsatz, die Abscheidung in einem Niederdruckimpaktor und die diffusive Abscheidung auf einem Oberflächenfilter. Um eine hinreichende Stabilität der abgeschiedenen Partikelschichten zu erreichen, werden die Schichten eventuell durch mechanische Kompression verdichtet.

 

Synthese von Building Blocks

Nanoporöse SiO2-Partikeln mit einstellbarer Porengröße wurden durch einen aerosol-basierten Prozess mit PVP als Templat synthetisiert. Durch Variation der Templat-Konzentration und der Primärpartikelgröße lässt sich die Porengröße  der SiO2-Agglomerate kontrolliert einstellen. Durch die Sprühtrocknung einer Co3O4/SiO2/PVP-Suspension ist es möglich, poröse Co3O4/SiO2-Agglomerate herzustellen, welche für FTS verwendet werden können.

 

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Abb. 2: REM-Aufnahme von porösen Building Blocks (links) und TEM-Aufnahme von porösen Co3O4/SiO2-Partikeln, (rechts)

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Abb. 3: TEM-Tomographie von porösen Co3O4/SiO2-Partikeln

 

Schichtaufbau

Zum Aufbau eines Schichtsystems werden die synthetisierten Building Blocks zusammen mit Template-Nanopartikeln durch Impaktion oder Filtration auf dem Substrat abgeschieden. Dabei lässt sich die Porenstruktur zwischen den Buidling Blocks variabel und reproduzierbar einstellen.

 

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Abb. 4: REM-Aufnahme von poröser Schicht aus Building Blocks

 

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