Methan, eines der schädlichsten Treibhausgase, das hauptsächlich in der Erdgasgewinnung, aber auch bei zahlreichen Gär- und Fermentationsprozessen frei wird, wird bereits verwendet, um Synthesegas herzustellen. Dieses dient beispielsweise als Basis für synthetische Kraftstoffe. „Im Zuge der Trockenreformierung wird auch Kohlendioxid – das bekannteste Treibhausgas – eingesetzt, um gemeinsam mit Methan Synthesegas zu erzeugen“, erklärt assoz. Prof. Dr. Bernhard Klötzer vom Institut für Physikalische Chemie der Uni Innsbruck. Er forscht in seiner Arbeitsgruppe Nanostructured Model Catalysts unter anderem am Prozess der Trockenreformierung. Das Problem dabei ist, diesen Hochtemperatur- Katalyse-Prozess in situ – also während der ablaufenden Reaktion – zu beobachten.
In-situ-Beobachtung
So gelang es den Wissenschatlern erstmals, eine bisher unbekannte Reaktionszwischenstufe der Trockenreformierung unter Modellbedingungen nachzuweisen und so wichtige Anhaltspunkte zur Prozessoptimierung zu erhalten. Bei der in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie veröffentlichten Arbeit konnte die Arbeitsgruppe um Bernhard Klötzer in Zusammenarbeit mit Forschern an der TU Berlin und am Lawrence Berkeley National Laboratory zeigen, dass während der Katalyse aktivitätsverringernde graphitische Kohlenstoffablagerungen auf Nickel in eine Zirkoniumkarbid-Grenzflächenphase umgewandelt werden. Diese erwies sich als sehr reaktives Zwischenprodukt im Rahmen dieser Trockenreformierung. „Diese Zwischenstufe kann nur in-situ nachgewiesen werden. Die Informationen aus diesem Modellversuch sind allerdings von hoher Bedeutung für die Optimierung des Transformationsprozesses, da nicht reaktiver Kohlenstoff relativ schnell zur Verkokung des Katalysators führt, was einen industriellen Einsatz ineffizient macht“, erklärt Bernhard Klötzer. Die Tests am neuen Hochdruck-Röntgen-Photonen-Spektrometer in Innsbruck und an der Advanced Light Source (ALS) in Berkeley haben gezeigt, dass ungelöster Kohlenstoff viel langsamer reagiert und so zu einer nachhaltigen Verkokung des Katalysators führt. „Um dies zu verhindern, muss der Vorgang so gesteuert werden, dass der unreaktive Kohlenstoff so effizient wie möglich in reaktiven Kohlenstoff umgewandelt wird“, erklärt Klötzer. Verbessert wird diese Umwandlung durch eine optimierte Katalysator-Grenzfläche zischen dem Träger und dem Nickelmetall. „Die Tests am Modell haben gezeigt, dass sich Nickel sehr gut eignet, um diese gewünschte Reaktivität des Kohlenstoffs zu erhöhen“, erklärt Klötzer und betont, dass diese Ergebnisse weiterer Schritt dahin sind, die industrielle Nutzung der Trockenreformierung für den Recyclingprozess von Methan und Kohlendioxid wesentlich voranzutreiben.