Oxidative Dehydrierung von Propan an Katalysatoren basierend auf porösem und geträgertem Bornitrid

Schmatz-Engert, Patrick (2023)
Oxidative Dehydrierung von Propan an Katalysatoren basierend auf porösem und geträgertem Bornitrid.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024120
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24120

Kurzbeschreibung (Abstract)

Der Stand der Technik zeigt, dass Bornitrid katalytisch aktiv gegenüber einer oxidativen Dehydrierung (ODH) von Alkanen ist. Zudem können im Vergleich zu Übergangsmetalloxid-Katalysatoren höhere Olefinselektivitäten bei gleichem Alkanumsatz erreicht werden. Maßgeblich beteiligt an der oxidativen Dehydrierung von Propan sind Bor-Sauerstoff-Spezies, welche in zahlreichen Untersuchungen nachgewiesen wurden und als katalytisch aktive Spezies gelten. Ebenso wurde eine Aktivitätssteigerung durch eine Oberflächenvergrößerung von Bornitridkatalysatoren erzielt, indem Bornitrid durch Templat-freie oder Templat-gestützte Synthesen dargestellt wurde. Auch wenn die gegenwärtige Literatur bereits Vorschläge zur Synthese optimierter Bornitridkatalysatoren, möglichen Mechanismen sowie reaktionstechnischen Einflussfaktoren gibt, ergeben sich dennoch signifikante Unklarheiten. Obwohl verschiedenste Strategien zur Synthese von porösen Bornitriden und geträgerten Boroxiden dokumentiert sind, ist derzeit keine Strategie bekannt, welche einerseits eine hohe Katalysatoraktivität und gleichzeitig auch eine Langzeitstabilität des Katalysators ermöglicht. Zudem fehlt es an einheitlichen Vergleichsuntersuchungen verschiedener BN-Katalysatoren, welche durch unterschiedliche Synthesen dargestellt wurden. Die Sauerstoffaktivierung von Bornitrid ist ebenfalls nicht hinreichend untersucht. Der bisherige Stand der Technik verdeutlicht, dass eine Sauerstofffunktionalisierung stattfindet und welche Bor-Sauerstoffspezies sich auf der Oberfläche ausbilden können. Allerdings fehlt ein Vergleich, wie sich unterschiedliche Sauerstofffunktionalisierungsstrategien auf die Katalysatoraktivität und -selektivität auswirken. Der Mechanismus der ODHP an borhaltigen Katalysatoren ist nach derzeitigem Wissen radikalisch und beinhaltet eine homogene C-H-Aktivierung von Propan. Jedoch fehlen weitere Daten, um diese Hypothese zu bekräftigen. So fehlt die Untersuchung etwaiger Folgeoxidationen von Propylen, Ethylen sowie Methan und im Allgemeinen Co-Feed-Untersuchungen mit mehreren Reaktionspartnern. Um diese Forschungsfragen zu beantworten, wurden Im Rahmen dieser Arbeit drei Synthesestrategien entwickelt. Eine Polykondensation von Harnstoff/Borsäure-Derivaten, eine Reaktivextraktion von Keramiken sowie eine Imprägnierung von Amminboran auf pyrogener Kieselsäure. Zudem wurde hexagonales Bornitrid durch nasschemische, mechanochemische und thermische Methoden voroxidiert. Poröses, geträgertes sowie voroxidiertes Bornitrid wurden als Katalysatoren in der ODH von Propan getestet. Einerseits wurde dabei der Einfluss von Materialeigenschaften auf die Katalyse der ODH untersucht, anderseits wurde durch gezielte Modifikation der Reaktanden Erkenntnisse gewonnen, um den Mechanismus der ODH besser beschreiben zu können.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2023

Autor(en):

Schmatz-Engert, Patrick

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Oxidative Dehydrierung von Propan an Katalysatoren basierend auf porösem und geträgertem Bornitrid

Sprache:

Deutsch

Referenten:

Etzold, Prof. Dr, Bastian J. M. ; Hess, Prof. Dr. Christian ; Deutschmann, Prof. Dr. Olaf

Publikationsjahr:

2023

Ort:

Darmstadt

Kollation:

vii, 151 Seiten

Datum der mündlichen Prüfung:

15 Juni 2023

DOI:

10.26083/tuprints-00024120

URL / URN:

https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24120

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

Prior art shows that boron nitride is catalytically active towards oxidative dehydrogenation (ODH) of alkanes. In addition, higher olefin selectivities can be achieved with the same alkane conversion compared to transition metal oxide catalysts. Significantly involved in the oxidative dehydrogenation of propane are boron-oxygen species, which have been demonstrated in numerous studies to be catalytically active species. Similarly, an increase in activity has been achieved by increasing the surface area of boron nitride catalysts by presenting boron nitride through template-free or template-assisted syntheses. Even though the current literature already provides suggestions on the synthesis of optimized boron nitride catalysts, possible mechanisms as well as reaction-related influencing factors, significant uncertainties still arise. Although a wide variety of strategies for the synthesis of porous boron nitrides and supported boron oxides have been documented, no strategy is currently known that enables high catalyst activity on the one hand and long-term catalyst stability on the other. Moreover, there is a lack of uniform comparative studies of different BN catalysts, which have been represented by different syntheses. The oxygen activation of boron nitride has also not been sufficiently investigated. The prior art clarifies that oxygen functionalization occurs and which boron oxygen species can form on the surface. However, a comparison of how different oxygen functionalization strategies affect catalyst activity and selectivity is lacking. To the best of our current knowledge, the mechanism of ODHP on boron-containing catalysts is radical and involves homogeneous C-H activation of propane. However, further data to support this hypothesis are lacking. For example, there is a lack of investigation of any subsequent oxidations of propylene, ethylene as well as methane and, in general, co-feed studies with multiple reactants. To answer these research questions, three synthesis strategies were developed in this work. A polycondensation of urea/boric acid derivatives, a reactive extraction of ceramics, and an impregnation of amminborane on fumed silica. In addition, hexagonal boron nitride was pre-oxidized by wet chemical, mechanochemical and thermal methods. Porous, supported as well as pre-oxidized boron nitride were tested as catalysts in the ODH of propane. On the one hand, the influence of material properties on the catalysis of the ODH was investigated, and on the other hand, specific modification of the reactants was used to gain insights into the mechanism of the ODH.

Englisch

Status:

Verlagsversion

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-241205

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

07 Fachbereich Chemie
07 Fachbereich Chemie > Ernst-Berl-Institut > Fachgebiet Technische Chemie
07 Fachbereich Chemie > Ernst-Berl-Institut > Fachgebiet Technische Chemie > Technische Chemie I

Hinterlegungsdatum:

26 Jun 2023 12:13

Letzte Änderung: