Methanol ist eine der wichtigsten Grundstoffe der chemischen Industrie und besitzt auch als Treibstoff und Treibstoffzusatz großes Potential. Alleine im Jahr 2008 wurden 44 Millionen Tonnen Methanol produziert. Angesichts dieser enormen Bedeutung besitzen selbst geringfügige Verbesserungen des Produktionsprozesses erhebliches Potential. Sowohl ökonomisch als auch ökologisch lassen sich durch Verbesserungen der Katalysatoren erhebliche Vorteile erzielen. Um die bestehenden Katalysatoren weiter zu verbessern ist jedoch eine genaue Untersuchung bestehender und neuer Katalysatoren bezüglich Aktivität und Selektivität nötig. In einer Miniaturanlage wurden im Rahmen dieser Untersuchungen die Oberflächen der Katalysatoren vermessen. Anders als bei klassischen Adsorptionsmessungen wurde jedoch nicht die gesamte Oberfläche erfasst, sondern nur die tatsächlich katalytisch-aktive Kupferoberfläche. Die nicht reduzierten Teile des Mehrkomponentenkatalysatorsystems wurden dabei nicht erfasst, da sie keinen Beitrag auf die katalytische Aktivität haben. Neben der anfänglichen Kupferoberfläche nach der Kalzinierung und Reduzierung des Katalysators wurde der Einfluss von Methanolsynthese unter technischen Bedingungen auf die Oberfläche untersucht. Mit verschiedenen Methoden und Fällungsreagenzien hergestellte Katalysatoren wurden so analysiert. Dabei wurde sowohl die Entwicklung der freien Kupferoberfläche als auch der katalytischen Aktivität im untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde nicht nur die Abnahme der Oberfläche im Laufe einer technischen Methanolsynthese beobachtet, sondern für einzelne Katalysatoren bemerkenswerte, gegenläufige Effekte während der ersten Stunden im Synthesegasstrom.

Textprobe: Kapitel 3.3, Methanolsynthese: Vor der Synthese wurde der Reaktor für 10 min mit Helium gespült. Für die Methanolsynthese wurde fertiges Synthesegas oder im Gasmischer aus verschiedenen Reinstgasen hergestelltes Synthesegas verwendet. Es wurden verschiedene Synthesegasvolumenströme gewählt. Für kinetische Untersuchungen wurden Volumenstrom zwischen 22 Nml/min und 78 Nml/min eingestellt. Bei Untersuchungen am thermodynamischen Gleichgewicht wurde der Volumenstrom auf 8 Nml/min gesenkt, um eine Einstellung des Gleichgewichts zu ermöglichen. Die Temperatur wurde mit einer Heizrate von 1 K/min auf die gewünschte Temperatur erhöht. Da das Synthesegas selbst bereits eine hohe Wasserstoffkonzentration aufweist und die Synthese bei Temperaturen größer 200 °C durchgeführt wird, ist eine gesonderte Reduzierung des Katalysators vor der Synthese nicht zwingend erforderlich. Dennoch wurden vor einigen Syntheseschritten gesonderte Reduzierungen vorgenommen, um mit steigender Temperatur die Einflüsse von Temperatur und Reduzierung der Oberfläche getrennt beobachten zu können. Quadrupol-Massenspektrometer: Die Analyse des Produktgasstroms erfolgt mit Hilfe eines Quadrupol-Massenspektrometers der Firma Pfeiffer Vakuum. Die Erzeugung der Ionen erfolgt durch Elektronenstoß-Ionisation. Die Trennung der Ionen nach ihrem Masse/Ladungs-Verhältnis erfolgt durch einen Quadrupol. Dieser besteht aus vier zylindrischen Metallstäben, welche paarweise als Elektroden dienen. An die Paare ist eine Gleichspannung angelegt, so dass je zwei positiv und zwei negativ geladen sind. Diese Gleichspannung wird durch eine Wechselspannung überlagert. Im Inneren der Stäbe ergibt sich damit nur für ein einziges, von der Wechselspannung abhängiges Masse/Ladungsverhältnis eine stabile, oszillierende Flugbahn. Alle anderen Ionen werden durch Kollision mit den Stäben neutralisiert. Die aufgetrennten Ionen werden durch einen Sekundärelektronenvervielfältiger detektiert. Darin treffen die Ionen auf eine Dynode und schlagen dort Elektronen heraus. Diese Elektronen werden zur nächsten Dynode beschleunigt und schlagen dort weitere Elektronen heraus. Dieser Vorgang wird wiederholt und dadurch eine Signalverstärkung erreicht. Quadrupol-Massenspektrometer eignen sich besonders für leichte Ionen mit Massen kleiner 300 amu. Da die schwersten, zu analysierenden Bestandteile eine Masse von lediglich 44 amu (CO2 und N2O) besitzen, lässt sich das Quadrupol-Massenspektrometer gut für die Untersuchung der Methanolsynthese einsetzen. Ein weiterer Vorteil liegt in der hohen Geschwindigkeit der Analyse, wodurch es sich besonders für dynamische Messungen anbietet. Das Massenspektrometer muss für jedes zu analysierende Gas kalibriert werden, um quantitative Messungen durchführen zu können. Hierfür werden die jeweiligen Gase, verdünnt in Helium, analysiert und auf diese Weise durch die Software die Kalibrierungsfaktoren bestimmt. Da außer für Wasserstoff, Lachgas und Methanol keine fertigen binären Gemische mit Helium zur Verfügung standen, mussten mit Hilfe des Gasmischers Gemische aus den Reinstgasen erzeugt werden. In vorgemischtem Synthesegas befinden sich sowohl Kohlenstoffmonoxid als auch Kohlenstoffdioxid. Kohlenstoffmonoxid entsteht bei der Elektronenstoßionisation im Massenspektrometer als Fragment von Kohlenstoffdioxid. Eine eindeutige Zuordnung der Masse 28 amu zu originärem Kohlenstoffmonoxid oder Kohlenstoffdioxidfragmenten ist damit nicht möglich. Daher eignet sich Synthesegas nicht für die Kalibrierung, da hierin die einzelnen Komponenten nicht eindeutig einem Gas zugeordnet werden können.

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Karsten Müller begann 2004 ein Studium des Chemieingenieurwesens an der Technischen Universität München. Bereits während eines Auslandssemesters an der Universität von Kapstadt beschäftigte er sich eingehend mit heterogenen Katalysatoren. Im Rahmen seiner Diplomarbeit vertiefte er sich weiter in diese Thematik und wandte sich nun der Katalyse bei der Herstellung von Methanol aus Kohlenstoffdioxid zu. Nach dem erfolgreichen Abschluss des Studiums wechselte er an die Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg, wo er sich im Rahmen einer Promotion weiter mit der Nutzung von Kohlenstoffdioxid beschäftigte.