Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT)

Nanocatalysis

Wasserstoffperoxid ist ein effektives Oxidationsmittel. Es wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, insbesondere in der chemischen Industrie und bei der Papierherstellung. Da beim Einsatz von Wasserstoffperoxid als Nebenprodukt nur Wasser entsteht, gilt es als umweltverträgliches Oxidationsmittel. Die Herstellung von Wasserstoffperoxid erfolgt heute weitgehend durch das technisch aufwändige Anthrachinonverfahren. Das Verfahren beruht darauf, Anthrachinon in Anwesenheit eines Palladium-Katalysators zu Anthrahydrochinon zu reduzieren und dieses in einer nächsten Stufe mit Sauerstoff zu oxidieren, um das Produkt Wasserstoffperoxid zu erhalten und das Anthrachinon zurückzubilden. Es folgen Aufreinigungsschritte sowie die Rückführung des Anthrachinons, um den Zyklus erneut durchlaufen zu können. Die Direktsynthese von Wasserstoffperoxid, bei der molekularer Wasserstoff und Sauerstoff am Katalysator in einer einzigen Stufe reagieren, wurde bereits Anfang des 20. Jahrhunderts beschrieben, jedoch nicht industriell angewandt: Selektive Katalysatoren, die die Konsekutivreaktion zum thermodynamisch stabilen Endprodukt Wasser kinetisch unterdrücken, sind Gegenstand der aktuellen Forschung. Aufgrund des weiten Explosionsbereichs von Sauerstoff/Wasserstoff-Gasgemischen und Stofftransportlimitierungen ist die Direktsynthese reaktionstechnisch und sicherheitstechnisch anspruchsvoll. Klassische Mehrphasenreaktionen mit ihren geringen reaktionstechnischen Freiheitsgraden weisen darüber hinaus nicht optimale Konzentrationsprofile der Reaktanden auf.

Vor diesem Hintergrund wurde am Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) ein neuartiger modularer Membran-Mikrostrukturreaktor entwickelt. Dieser Reaktor nimmt gleichzeitig die Sicherheitsprobleme und die reaktionstechnischen Probleme des Prozesses in Angriff.

Die Reaktion findet in einer flüssigkeitsdurchströmten schleifenförmigen Mikrokanal statt. Wasserstoff und Sauerstoff werden über Membranflächen in die Flüssigkeit eingebracht und durch die Reaktion am Katalysator zu Wasserstoffperoxid umgesetzt. Das flexible Design des Reaktors ermöglicht es, den Katalysator entweder als Festbett (Partikelschüttung), als Wandbeschichtung oder als suspendierte Katalysatorpartikel in den Mikrokanal einzubringen. Der suspendierte Katalysator macht insbesondere bei geringer Katalysatormenge das gesamte Reaktionsvolumen zugänglich.

Um eine hohe Produktausbeute zu erzielen, werden die Reaktanden über eine Membran alternierend blasenfrei nachgesättigt. Da die Reaktion nur in der flüssigen Phase erfolgt, kann keine Knallgasatmosphäre entstehen. Durch die geringe Kanalhöhe unter einem Millimeter wird die Flüssigphase effektiv gesättigt, weil die Diffusionslänge im Verhältnis zur Kanaltiefe groß ist. 

Innerhalb des Unterthemas “Nanokatalyse” dient der Reaktor als arbeitsgruppenübergreifende Test-Plattform für neuartige Katalysatoren. Gleichzeitig liefert der Reaktor wichtige Reaktionsparameter, die nur in kontinuierlich durchströmten Reaktoren erfassbar sind. Basierend auf diesem reaktionstechnischen Knowhow wirkt das IMVT bei röntgenspektroskopischen Studien (EXAFS/XANES) mit kontinuierlich durchströmten Reaktoren zur Aufklärung der katalytischen Aktivität und Selektivität von palladiumbasierten Katalysatoren für die Direktsynthese mit. Diese Struktur-Aktivität/Selektivitäts-Beziehungen fließen direkt in die Entwicklung von verbesserten heterogenen Katalysatoren ein.

 

Veröffentlichungen:

 

Pashkova, A.; Dittmeyer, R.: Carbon dioxide as an alternative solvent for the direct synthesis of hydrogen peroxide: A review of recent activitie . 2015. Catalysis Today, 248, 128-137. doi:10.1016/j.cattod.2014.03.012

Dittmeyer, R.; Grunwaldt, J.-D.; Pashkova, A. A review of catalyst performance and novel reaction engineering concepts in direct synthesis of hydrogen peroxide. 2015. Catalysis Today, 248, 149-159. doi:10.1016/j.cattod.2014.03.055

Selinsek, M.; Pashkova, A.; Dittmeyer, R. Numerical analysis of mass transport effects on the performance of a tubular catalytic membrane contactor for direct synthesis of hydrogen peroxide. 2015. Catalysis Today, 248, 101-107. doi:10.1016/j.cattod.2014.05.048

Selinsek, M.; Bohrer, M.; Vankayala, B. K.; Haas-Santo, K.; Kraut, M.; Dittmeyer, R. Towards a new membrane micro reactor system for direct synthesis of hydrogen peroxide. 2016. Catalysis today, 268, 85-94. doi:10.1016/j.cattod.2016.02.003

 

B. J. Deschner, M. Selinsek, D. E. Doronkin, T. L. Sheppard, J.-D. Grunwaldt, R. Dittmeyer

Direct synthesis of H2O2 in continuous flow: an operando XAS study on palladium catalysts (oral)

13th European Congress on Catalysis, EUROPACAT 2017, 27th–31st August 2017, Florence, Italy

 

B. J. Deschner, M. Kraut, M. Selinsek, R. Dittmeyer

Untersuchungen zur Direktsynthese von Wasserstoffperoxid in einem suspensionsdurchströmten Membran-mikroreaktor (poster)

Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Mikroverfahrenstechnik, 9th–10th March 2017, Frankfurt, Germany

 

M. Selinsek, B. J. Deschner, D. E. Doronkin, T. L. Sheppard, J.-D. Grunwaldt, R. Dittmeyer

Revealing the Structure and Mechanism of Palladium during Direct Synthesis of Hydrogen Peroxide in Continuous Flow Using Operando Spectroscopy

ACS Catalysis 2018, 8, 2546-2557, DOI: 10.1021/acscatal.7b03514