Methanol Dampfreformierung (MSR) bietet eine vielversprechende Lösung für den entscheidenden Kampf gegen den Klimawandel, aufgrund des hohen Potenzials zur Produktion von Wasserstoff für die Nutzung als Energieträger. Aufgrund der erforderlichen hohen Reaktionstemperaturen und möglicher auftretender Nebenreaktionen, ist der Einsatz geeigneter Katalysatoren von entscheidender Bedeutung. Eine vielversprechende Materialklasse sind Perowskit-basierte Oxide mit einer allgemeinen Formel von ABO3. Mit geeigneten Dotierungsmaterialien für die A- oder B-Stelle kann die Zusammensetzung des Katalysators gezielt modifiziert werden, um den für MSR erforderlichen Anforderungen zu entsprechen.In dieser Arbeit wurden verschiedene B-Stellen-dotierte (B = Cu, Ni, Co) Oxidkatalysatoren mit einer allgemeinen Formel von Nd0.6Ca0.4Fe1-xBxO3 und Pr0.6Ca0.4Fe1-xBxO3 (Cu: x = 0.03, 0.05, 0.1 / Ni, Co: x = 0.1), sowie deren undotierte Grundstrukturen hinsichtlich ihrer Eignung zur Katalyse von MSR untersucht. Von besonderem Interesse, war hierbei die Starttemperatur der Reaktion, in Verbindung mit der Selektivität der jeweiligen Katalysatoren gegenüber MSR. Da die Reaktionsatmosphäre unter den vorherrschenden Reaktionsbedingungen mit Wasser gesättigt ist, gestaltete sich die Quantifizierung der Reaktionskomponenten herausfordernd. Aus diesem Grund wurde eine Kalibrierungsstrategie für ein Massenspektrometer (MS), in Kombination mit der Entwicklung eines Python-Toolkits zur automatisierten Auswertung der erfassten Daten, angewendet. Dies ermöglichte den Vergleich der katalytischen Aktivitäten der untersuchten Materialien, anhand der so erhaltenen quantitativen Datensätze. Zusätzlich wurden operando XRD-Messungen an der Beamline P02.1. am DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron) durchgeführt, um mögliche Phasenänderungen während der Reaktion zu untersuchen.Es konnte gezeigt werden, dass sämtliche Materialien katalytische Aktivität bezüglich Temperatur und Ausbeute der gewünschten Produkte aufwies. Die Dotierung der B-Stelle mit Cu, Ni und Co konnte mit einer Erhöhung der katalytischen Aktivität in Verbindung gebracht werden. Die unerwünschte Bildung von CO konnte bei höheren Temperaturen für alle untersuchten Materialien beobachtet werden, wobei das Ausmaß von der Grundstruktur und dem verwendeten Dotierungselement abhängig war. Von den getesteten Materialkombinationen stachen besonders die Katalysatorgruppen Nd0.6Ca0.4Fe1-xCuxO3 und Pr0.6Ca0.4Fe1-xCuxO3 (x = 0.03, 0.05, 0.1) durch ihre hohe Selektivität von 100 % bei Temperaturen von bis zu 340 °C hervor. Diese hohe Selektivität in Kombination mit einer hohen katalytischen Aktivität bei niedrigeren Temperaturen machen Cu-basierte Materialien besonders interessant für die zukünftige Forschung auf dem Gebiet der Methanol-Dampfreformierung.
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Methanol Steam Reforming (MSR) provides a promising solution for the crucial fight against climate change. It holds high potential regarding the on-demand production of H2 for the utilization as an energy carrier in e.g.: Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC). Due to high reaction temperatures required and possible formation of carbon monoxide caused by occurring side reactions the use of suitable catalysts is of crucial importance. A promising class of materials are perovskite type oxides, with a general formula of ABO3. These materials generally display high resistance against agglomeration of nanoparticles socketed in the surface. The composition of the catalyst can be specifically modified with suitable doping materials for the A- or B-site. In this way, exsolved nanoparticles can be formed on their surfaces which fit the requirements necessary for MSR.In this thesis different B-site doped (B = Cu, Ni, Co) perovskite type oxide catalysts with a general formular of Nd0.6Ca0.4Fe1-xBxO3 and Pr0.6Ca0.4Fe1-xBxO3 (Cu: x = 0.03, 0.05, 0.1 / Ni, Co: x = 0.1) as well as the undoped basic structures, were examined concerning their suitability for catalysing MSR and their behaviour during reaction conditions. The on-set temperature of the reaction combined with the selectivity towards MSR of the individual catalyst were of particular interest. Since the reaction atmosphere is saturated with water under the prevailing reaction conditions, quantification of the reaction components proved to be challenging. For this reason, a calibration strategy for a Mass Spectrometer (MS) was employed in combination with the development of a Python toolkit for an automated evaluation of the acquired data. This allowed the comparison of the catalytic activities of the investigated materials using the obtained quantitative data of possible formation of H2 and CO. Additionally, operando XRD measurements were conducted at the beamline P02.1. at DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron) to investigate possible phase changes during the reaction.This work could demonstrate that each investigated perovskite exhibited catalytic activity regarding the on-set temperature and yield of the desired products. Doping the B-site with Cu, Ni and Co could be tied to an increase of the catalytic activity. The unwanted formation of CO could be observed at higher temperatures for all investigated materials, the degree depending on the basic structure and the dopant element used. Of the material combinations tested, the catalyst groups doped with Cu including Nd0.6Ca0.4Fe1-xCuxO3 and Pr0.6Ca0.4Fe1-xCuxO3 (x = 0.03, 0.05, 0.1), excelled to their high selectivity of 100% at temperatures of up to 350°C. This high selectivity combined with a high catalytic activity at lower temperatures make Cu based materials particularly interesting for future research in the field of Methanol Steam Reforming.
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Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
