Bessere Katalysatoren für die Erdölindustrie

Zeolithe gehören zu den Stoffen, welche chemische Reaktionen beschleunigen können – es sind sogenannte Katalysatoren. Meist liegen sie in Pelletform vor, und besonders bei der industriellen Herstellung von Benzin oder Heizöl aus Rohöl sind sie nicht wegzudenken. Die chemischen Reaktionen finden dabei an ihrer Oberfläche statt. Und diese sind bei Zeolithen gross: Die Katalysatoren sind mit Nano-Poren und mikroskopisch kleinen Kanälen durchsetzt, durch welche die flüssigen Reaktionspartner eindringen und die Reaktionsprodukte sie wieder verlassen können.

Eines der Hauptprobleme beim industriellem Einsatz von Zeolith-Katalysatoren ist, dass Reaktionsnebenprodukte die Poren verstopfen oder die aktiven Stellen der Katalysatoren blockieren. Koksdeposite nennen Experten solche Kohlenwasserstoffablagerungen. In regelmässigen Abständen muss der Produktionsprozess daher unterbrochen werden, um die Ablagerungen auf den Katalysatoren zu verbrennen und letztere damit zu regenerieren. Dies schmälert die Effizienz der Reaktion.

Es kommt auf die innere Struktur an

Wissenschaftler arbeiten deshalb daran, die Zeolith-Katalysatoren widerstandsfähiger gegen solche Ablagerungen zu machen, dadurch die Notwendigkeit einer Regeneration hinauszuzögern und die Produktionszyklen zu verlängern. ETH-Forschende unter der Leitung von Javier Pérez-Ramírez, Professor für Katalyse-Engineering, haben nun bei einer neuen Klasse von komplex aufgebauten Zeolith-Katalysatoren mit Poren unterschiedlicher Grössenordnugnen herausgefunden, inwieweit ihre innere Struktur mit dieser Widerstandskraft zusammenhängt: «Es kommt nicht darauf an, dass der Katalysator möglichst viele Poren aufweist, wie es die bisherige Auffassung war», sagt Sharon Mitchell, Wissenschaftlerin in der Gruppe von Pérez-Ramírez. «Vielmehr ist es von zentraler Bedeutung, dass das mikroskopisch feine Hohlraumsystem im Innern der Zeolith-Katalysatoren stark vernetzt ist und zahlreiche Öffnungen gegen Aussen aufweist.» Durch diese können die chemischen Verbindungen besser ins Katalysator-Innere eindringen und an der vergrösserten Oberfläche reagieren.

Die Forschenden kamen zu dieser Erkenntnis, indem sie im Labor Zeolith-Katalysatoren mit unterschiedlicher Porenstruktur herstellten. Um dies zu erreichen, variierten sie die Herstellungsmethoden und Synthesebedingungen. Die Katalysatoren untersuchten sie anschliessend unter anderem in Zusammenarbeit mit Paolo Crivelli, Wissenschaftler am Departement Physik, mit der Positronen-Annihilations-Lebensdauer-Spektroskopie (PALS). Mit dieser Technik wird untersucht, wie lange in die Probe gebrachte Positronen darin verbleiben. Je vernetzter die Poren sind und je zahlreicher die Öffnungen, desto schneller gelangen die Positronen nach Aussen. Ausserdem testeten die Wissenschaftler die verschiedenen Zeolith-Katalysatoren im Labor darauf, wie schnell sie Koksdeposite bildeten.

Nicht nur besser, auch günstiger

«Interessanterweise ist die Methode, mit welcher wir die widerstandsfähigsten Zeolithe herstellen konnten, zugleich auch die günstigste», sagt Pérez-Ramírez. Er rechnet damit, dass die Ergebnisse der Studie, die in der Fachzeitschrift «Nature Communications» erschien, die Industrie dazu animieren wird, ihre Zeolith-Herstellungsprozesse anzupassen.

Zeolith-Katalysatoren werden heute in der Erdölindustrie im grossen Massstab eingesetzt, um hochwertige Treibstoffe, Brennstoffe und Grundstoffe für die chemische Industrie herzustellen. Einerseits können damit die langkettigen Moleküle im Rohöl in höherwertige Moleküle mittlerer Kettenlänge umgewandelt werden. Andererseits ist es mit Zeolithen möglich, minderwertige Raffinerie-Nebenprodukte mit sehr kurzen Kohlenwasserstoffketten – etwa Ethen und Propen – zusammenzufügen, um daraus ebenfalls höherwertige Produkte mittlerer Kettenlänge zu erhalten.

«Auch wenn dereinst Erdöl als wichtiges chemisches Ausgangsprodukt nach und nach von Biomasse abgelöst werden sollte, werden Zeolith-Katalysatoren ihre Bedeutung behalten», sagt Pérez-Ramírez. Mithilfe von Zeolith-Katalysatoren könnten daraus auf effiziente Weise hochwertige chemische Grundstoffe produziert werden.