Zwei Jahrzehnte katalytischer Forschung haben sich in der Industrie ausgezahlt – umweltfreundlicher, sauberer und intelligenter. Die Fischer-Tropsch-Synthese (FTS) und die heterogene Hydroformylierung sind zwei Grundpfeiler der modernen chemischen Produktion. Sie wandeln Synthesegas (ein Gemisch aus CO und H?, typischerweise aus Kohle oder Biomasse gewonnen) in Kohlenwasserstoffe und Sauerstoffverbindungen um, die die Grundlage für die Kraftstoff-, Kunststoff- und Pharmaindustrie bilden. Doch über ein Jahrhundert lang haben Herausforderungen bei Selektivität, Katalysatorlebensdauer und Prozessintegration ihren breiteren industriellen Einsatz verhindert – bis jetzt.
In einem neu veröffentlichten Bericht im Chinese Journal of Catalysis (DOI: 10.1016/S1872-2067(25)64701-2 ) präsentiert ein Team unter der Leitung von Prof. Yunjie Ding und Prof. Li Yan am Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) in Zusammenarbeit mit Dr. Ronghe Lin (Zhejiang Normal University) und Dr. Shenfeng Yuan (Zhejiang University) einen umfassenden Fahrplan wissenschaftlicher Durchbrüche, die diese traditionellen Reaktionen in eine moderne Ära der grünen Chemie überführen.
Credits
Chinesisches Journal für Katalyse
Eine neue Generation von Co-Co?C-Katalysatoren für FTS. Das Team entwickelte eine Reihe von kohlenstoffgestützten Kobalt-Kobaltcarbid-Katalysatoren (Co-Co?C), die die FTS-Leistung grundlegend verändern. Durch die Feinabstimmung der Schnittstelle zwischen metallischem Kobalt und seiner Carbidphase erreichten sie duale aktive Zentren, die Synthesegasmoleküle durch kontrollierte C-C-Kopplungs- und CO-Insertionsschritte leiten – und so die selektive Bildung langkettiger ?-Alkohole und Olefine ermöglichen. Diese Erkenntnisse, gestützt durch DFT-Berechnungen und Operando-Spektroskopie, ließen sich in die Praxis umsetzen. Ein industrieller Suspensionsphasenreaktor mit einer Kapazität von 150 kt/a auf Basis des Co-Co?C-Systems ist seit 2020 in Yulin, China, in vollem Betrieb – der erste derartige kohlenstoffgestützte Co-Katalysator im weltweiten Einsatz.
Einzelatom-Rh-Katalysatoren transformieren die Hydroformylierung. Um die bekannten Probleme der Trennung und Edelmetallauslaugung bei der homogenen Rh-basierten Hydroformylierung zu überwinden, entwickelten die Forscher einen an einem porösen organischen Polymer (POP) verankerten Einzelatom-Rh-Katalysator: Rh?/POPs-PPh?. Der Katalysator zeichnet sich durch robuste mehrzähnige Rh-P-Bindungen aus und bietet außergewöhnliche Aktivität, vorübergehende Schwefelvergiftung und Selbsterholung sowie strukturelle Integrität unter rauen Industriebedingungen. Im Jahr 2020 wurde diese Innovation auf die weltweit erste kommerzielle heterogene Hydroformylierungsanlage in Zhenhai, China, hochskaliert. Sie produziert 50 kt/a n-Propanol aus Ethylen mit beispielloser Katalysatoreffizienz und Langlebigkeit. Die Verluste an Rh und Ligand sind vernachlässigbar, und der Reaktor arbeitet kontinuierlich, was einen transformativen Schritt in der grünen Olefinfunktionalisierung darstellt.
Erweiterung der Wertschöpfungskette hin zu hochwertigen Produkten. Basierend auf diesen katalytischen Plattformen entwickelten sie zudem integrierte Trennsysteme und Extraktionsverfahren, um Alkohole und Paraffine aus komplexen FTS-Produktgemischen mit hoher Reinheit zu isolieren. Sie erweiterten die Wertschöpfungskette zusätzlich, indem sie die aus FTS gewonnenen ?-Alkohole in hochwertige Rohstoffe wie ?-Olefine, Schmierstoffe und Fettsäuren umwandelten, die üblicherweise nicht aus Kohle synthetisiert werden.
Von Erkenntnissen aus der Laborpraxis bis hin zu kommerziellen Meilensteinen veranschaulicht diese Forschung, wie ein Ansatz, der auf der Entwicklung von Katalysatoren und der Kopplung von Prozessen basiert und neue industrielle Möglichkeiten für die Nutzung von Synthesegas eröffnen kann, insbesondere in kohlereichen Volkswirtschaften, die auf eine kohlenstoffarme Zukunft umstellen.
