Ein Großteil der Produkte des täglichen Lebens wird von der chemischen Industrie hergestellt. Über 80 % dieser Chemieerzeugnisse werden mithilfe katalytischer Prozesse produziert. Dazu zählen etwa korrosionsresistente Lacke für Autokarosserien, hocheffiziente Dämmmaterialien oder wertvolle Treibstoffzusätze. Das verleiht der Katalyse enorme wirtschaftliche und gesellschaftliche Bedeutung.

Als Katalysator kommen häufig Edelmetalle zum Einsatz, die aufgrund ihrer Seltenheit jedoch sehr teuer sind. Darum wird ein preiswerter Katalysatorträger lediglich mit einer dünnen Schicht davon versehen. Kostengünstige und umweltschonende Alternativen zu herkömmlichen Katalysatoren wie z. B. Kohlenstoffnanoröhren (engl. Carbon Nanotubes, CNT) bieten darum ein bedeutendes Marktpotential. Um es zu heben, wurde innerhalb der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Innovationsallianz Carbon Nano­tubes (Inno.CNT) Anfang 2011 das Projekt CarboKat gestartet.

Zahlreiche Vorteile von CNT
Die CarboKat-Partner arbeiten an der Entwicklung von nanostrukturierten Katalysatoren auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren. Dabei sollen CNT als Katalysator und Katalysatorträger zum Einsatz kommen. Gegenüber den bislang eingesetzten Trägermaterialien Aktivkohle und Keramik bieten sie mehrere Vorteile: CNT sind haltbarer als Aktivkohle und nicht so brüchig wie Keramik. Gleichzeitig halten sie die feine Verteilung des Aktivmaterials (Katalysators) aufrecht. Der Hauptvorteil liegt jedoch darin, dass CNT das Aktivmaterial bei der Katalyse unterstützen, sodass sich der Anteil kostenintensiver Edelmetalle und anderer Aktivmaterialien bei katalytischen Prozessen senken lässt. Je nach Prozess sollen herkömmliche Aktivmaterialien sogar komplett durch CNT ersetzt werden können. Die Projektpartner haben Beispielreaktionen ausgewählt, die für die Produktion von hochwertigen Basischemikalien verwendet werden. Dabei handelt es sich um die Hydrierung, die Säure-Basis-Katalyse sowie die Alkohol- und die Kohlenwasserstoffsynthese.

CarboKat-Projektpartner
Das Projektteam von CarboKat setzt sich aus Bayer Technology Services, dem Fritz-Haber Institut Berlin, der Ruhr-Universität Bochum und der Süd-Chemie zusammen. Die durch CarboKat abgedeckte Prozesskette reicht von der Synthese maßgeschneiderter CNT und der Entwicklung CNT-basierter Katalysatoren, über das Testen dieser Katalysatoren bis hin zu deren Formgebung und Scale-up. Die Anforderungen an die Katalysatoren sind Reproduzierbarkeit, Skalierbarkeit sowie Aktivität und Langzeitstabilität (mechanisch/chemisch).
Synthese maßgeschneiderter CNT
Gestartet wurde mit einer Rezeptur für NCNT (Stickstoff dotierte Kohlenstoffnanoröhren). Sie wurde im Rahmen des Inno.CNT-Projekts CarboScale entwickelt, das auf die Produktion von CNT spezialisiert ist. Nach dieser Rezeptur wurden in einer Kampagne zwölf Proben hergestellt, von denen vier auf ihre Reproduzierbarkeit in puncto vergleichbarer spezifischer Oberflächen, Stickstoff- und Metallgehalte sowie Abbrandtemperaturen untersucht wurden. Die Projektpartner unterzogen die NCNT einer Element­analyse, untersuchten die Porenstruktur und die Oxidationsstabilität. Bei allen Chargen konnten vergleichbare Eigenschaften festgestellt werden.

Optimierung der Katalysatoren
Somit stehen den Projektpartnern für die weitere Projektarbeit reproduzierbare NCNT-Qualitäten in ausreichender Menge zur Verfügung. Dadurch ist sichergestellt, dass im Zuge der Optimierung CNT-modifizierter Katalysatoren stets das gleiche CNT-Trägermaterial verwendet wird. Dabei werden - je nach Beispielreaktion - in unterschiedlichen Mengen Metalle wie etwa Kobalt, Ruthenium oder Rhodium hinzugegeben. Die Zusammensetzungen, bei denen die Katalysatoren die beste Performance zeigen, werden in der weiteren Projektarbeit ausführlich getestet.

Test in Modellreaktionen
Zu den im Rahmen von CarboKat vorgesehenen Prozeduren zählen beispielsweise Tests, bei denen die Katalysatoren einer künstlichen Alterung unterzogen werden (accelerated tests), um ihre Langzeitstabilität zu untersuchen. Dabei wird z. B. die Betriebstemperatur innerhalb eines definierten Zeitraums stark erhöht und anschließend wieder auf Normaltemperatur gesenkt. Mittels Temperaturtests lässt sich zudem bestimmen, ob CNT-modifizierte Katalysatoren im Vergleich zu herkömmlichen Katalysatoren die gleiche Leistung bei geringerem Energieeinsatz (geringere Betriebstemperatur) erbringen können bzw. bei höherem Energieeinsatz (höherer Betriebstemperatur) langzeitstabil eine höhere Leistung erzielen.

Formgebung und Aufskalierung
Für den Einsatz in technischen Reaktoren sind die bei der Herstellung gebildeten bis zu 1 mm großen CNT-Agglomerate in der Regel zu klein und würden zu hohe Druckverluste verursachen. Das Konsortium in CarboKat beschäftigt sich daher auch mit der Formgebung solcher CNT-Agglomerate für die anvisierten Reaktionen vorteilhaften Formkörpern. Diese Formkörper werden mit den zuvor genannten aktiven Metallen beladen und in sog. Benchscale-Reaktoren unter industrienahen Bedingungen getestet.
Am Ende der Forschung steht die Aufskalierung der Verfahren zur Herstellung der CNT, zu deren Formgebung sowie gegebenenfalls zu deren Modifizierung (z. B. mit Metallen oder der Einbringung von sauren bzw. basischen Zentren).

Zusammenfassung und Ausblick
Die bisherigen Arbeiten haben gezeigt, dass in-situ, also bereits während der Nanotubes-Herstellung dotierte NCNT bis in den Kilogramm-Maßstab eine nachweisbar reproduzierbare Qualität aufweisen. Auch für post-dotierte, also durch Nachbehandlung konventioneller CNT hergestellter NCNT wird dieses Ergebnis erwartet. Weiterhin konnten im Rahmen der katalytischen Testreaktionen kontrollierbare Säure-Basen-Eigenschaften der Oberfläche nachgewiesen werden. Im Vergleich zu nicht stickstoffhaltigen CNT weisen NCNT eine höhere Aktivität und Selektivität auf. Derzeit werden die katalytischen Tests für die Modellreaktionen etabliert. Dabei sollen Struktur-Aktivitätsbeziehungen ermittelt werden, um für die Modellreaktionen maßgeschneiderte CNT-Eigenschaften zu erzielen bei gleichzeitiger Berücksichtigung der Formbarkeit. Damit wären die Voraussetzungen gegeben, um in den Modellreaktionen eine optimale Performance zu erzielen, die anschließend auch in marktnahe Anwendungen überführt werden kann.