Untersuchung des Verkokungsverhaltens nickelbasierter Katalysatoren in der Methanspaltung

Helmin, Marta; Palkovits, Regina (Thesis advisor); Wasserscheid, Peter (Thesis advisor)

Aachen (2018)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

Wasserstoff ist ein vielversprechender zukünftiger Energieträger. Ein Verfahren, welches eine emissionsarme Gewinnung von reinem Wasserstoff in Kombination mit elementarem Kohlenstoff auf Basis fossiler Rohstoffe ermöglicht, ist die metallkatalysierte Zersetzung von Methan. Der industrielle Einsatz dieser Reaktion stellt hohe Anforderungen an die Standzeit der eingesetzten Katalysatoren. Aufgrund der unvermeidbaren Bildung von elementarem Kohlenstoff in Form von Kohlenstofffilamenten unterliegen Katalysatoren in der Spaltungsreaktion jedoch einer starken Verkokung und Degradation. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Desaktivierungsverhalten heterogener Katalysatoren während der Methanspaltung in kontinuierlich betriebenen Festbettreaktoren untersucht. Auf Basis von Nickel als Aktivkomponente und verschiedenen Metalloxiden, welche als Trägermaterial dienten, wurde der Einfluss von Materialeigenschaften (Porosität, Kristallstruktur, Metallpartikelgröße) und Prozessparametern auf die Katalysatorstabilität ergründet. Die Ergebnisse zeigen, dass jeder Faktor, der die katalytische Aktivität erhöht, mit einem Verlust der Katalysatorstabilität einhergeht. Dabei konnte jedoch kein Zusammenhang zwischen der Kohlenstoffkapazität (Kohlenstoffmenge, welche ein Katalysator bis zur vollständigen Desaktivierung akkumuliert) und der Desaktivierungsrate beobachtet werden. Elektronenmikroskopische Aufnahmen der verbrauchten Katalysatorproben haben belegt, dass die Desaktivierung der Katalysatoren aufgrund einer graphitischen, den Metallpartikel einkapselnden Schicht erfolgte. Es konnte eine deutliche Abhängigkeit der Kohlenstoffmorphologie von der Katalysatoraktivität festgestellt werden. Eine Steigerung der katalytischen Aktivität resultierte in einem erhöhten Graphitisierungsgrad des gebildeten Kohlenstoffs. Langzeitexperimente haben gezeigt, dass eine periodische Entnahme des Kohlenstoffs ohne negative Auswirkungen auf die Katalysatoraktivität und den Reaktionsverlauf möglich ist. Schließlich erlaubten unter erhöhtem Druck durchgeführte Reaktionen die Erschließung eines bislang unbeachteten Forschungsbereiches auf dem Gebiet der katalytischen Methanspaltung. Eine Druckerhöhung bewirkte eine signifikante Steigerung der Produktivität und Stabilität der Katalysatoren.

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