title: Poröse Vanadiumcarbide und Carbid-abgeleitete Oxide als Katalysatoren für die oxidative Dehydrierung primärer Alkohole
Creators: name: Oefner, Niklas
Publisher: name: UNSPECIFIED
Year: 2023

description: Im Rahmen der Rohstoffwende innerhalb der chemischen Industrie können nachhaltig produzierte Alkohole wie Methanol und Ethanol wichtige Plattformen zur Produktion weiterer Zwischenprodukte wie Ester, Ether, Säuren und Aldehyde sein. Die oxidative Dehydrierung von Methanol und Ethanol liefert die korrespondierenden Alkohole, welche wiederum Ausgangsmaterialien zur Herstellung von Harzen, Kunststoffen, Farbstoffen (Formaldehyd) sowie Ester und Pyridin-Derivaten (Acetaldehyd) darstellen. Die Etablierung der Methanol-ODH im FormOx-Prozess mit hohen Ausbeuten an Formaldehyd zeigt das große Potential von Übergangsmetalloxiden bzw. Mischoxiden als Katalysatoren für die Alkohol-ODH. Da bisher keine Studien zur Verwendung des FormOx-Katalysators Eisenmolybdat in der ODH von Ethanol zu Acetaldehyd unter industriell interessanten Reaktionsbedingungen veröffentlicht sind, wurde innerhalb dieser Arbeit die katalytische Aktivität und Selektivität von Eisenmolybdat in der Ethanol-ODH untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass Eisenmolybdat ein hochselektiver Katalysator für die Acetaldehydherstellung aus Ethanol ist (Acetaldehyd-Ausbeute von 90 %). Gleichzeitig diente das Material als Referenzkatalysator für die Methanol-ODH-Versuche, um eine Bewertung weiterer neuartiger Katalysatorsysteme zu ermöglichen. 

Der Stand der Technik zeigt auch, dass die Oxidation von MXenen zu Übergangsmetalloxiden mit besonderen Defektstrukturen und Nanostrukturen führt. Das Potential dieser MXen-abgeleiteten Übergangsmetalloxide als Katalysatoren für heterogen katalysierte Selektivoxidationen ist bisher unerforscht. Innerhalb dieser Arbeit wurden daher die katalytischen Eigenschaften von MXen-abgeleiteten Vanadiumoxiden mit besonderen Nanostrukturen innerhalb der ODH von Methanol und Ethanol evaluiert. Hierzu wurden ausgehend von dem multi-layer V4C3Tx-MXen zwei Syntheserouten untersucht, um die spezifische Oberfläche des MXens zu erhöhen. Zum einen wurde die multi-layer Struktur aufgebrochen und die einzelnen MXen-Schichten wurden auf pyrogener Kieselsäure geträgert. Zum anderen wurde aus den delaminierten MXen-Schichten ein MXen-Aerogel mit erhöhter spezifischer Oberfläche hergestellt. Die synthetisierten Materialien wurden partiell oxidiert und in oxidische Katalysatoren überführt. Es konnte gezeigt werden, dass eine in situ Aktivierung unter ODH-Bedingungen zu hochaktiven MXen-abgeleiteten oxidischen Katalysatoren mit hoher Aldehyd-Selektivität und guter Langzeitstabilität führt. Hierbei wurde die Aktivität der Referenzmaterialien Fe2(MoO4)3, VOx/SBA-15, VO2 und V2O5 um ein Vielfaches übertroffen. Die Charakterisierung des Aerogel-abgeleiteten Oxids zeigte ein nanostrukturiertes Oxid, welches im Bulk aus VO2 (B) besteht und zusätzlich die gemischtvalenten Oxide V6O13 und V3O7 beinhaltet. Mittels stationärer und transienter mechanistischer Untersuchungen (Methanol-TPR, Methanol-TPSR, Methanol-Pulsexperimente) konnte eine niedrige Aktivierungsenergie der Aldehyd-Desorption und ein schneller Sauerstofftransport im Bulk des Materials nachgewiesen werden.

Des Weiteren wurde ein zweiter Ansatz zur Herstellung Carbid-abgeleiteter Oxide verfolgt. Mittels eines Templatverfahrens wurden poröse Vanadiumcarbide aus einem Industrieruß und einem Vanadiumpräkursor hergestellt. Diese porösen Vanadiumcarbide wurden unter ODH-Reaktionsbedingungen (partiell) oxidiert, was zur Ausbildung von Vandiumcarbid/-oxid-Hybriden führte. Diese Carbid-abgeleiteten Katalysatoren zeigten im Vergleich zu den genannten Referenzmaterialien ebenfalls eine erhöhte Aktivität in der ODH von Methanol und Ethanol.

Somit konnte innerhalb der Arbeit gezeigt werden, dass Carbid-abgeleitete Oxide und im speziellen MXen-abgeleitete Oxide hochaktive, selektive und stabile Katalysatorsysteme für die Selektivoxidation primärer Alkohole sind.