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Synthese von Propylenoxid in der Gasphase an Gold- und Gold-Cobalt-Katalysatoren

Mennemann, Christina (2011):
Synthese von Propylenoxid in der Gasphase an Gold- und Gold-Cobalt-Katalysatoren.
Darmstadt, TU Darmstadt, [Online-Edition: urn:nbn:de:tuda-tuprints-24741],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Propylenoxid ist ein wichtiger chemischer Rohstoff für die Herstellung von Polyurethanen und Polyolen. Mit einer Weltjahresproduktion von 7,5 Mio. t gehört es zu den Basischemikalien, weshalb seiner ressourcenschonenden Produktion eine große Bedeutung zukommt. Die bislang industriell etablierten Verfahren wie das Chlorhydrin- und das Wasserstoffperoxidverfahren haben jedoch gravierende umwelttechnische Nachteile. Auf der Suche nach Alternativen fand insbesondere die Gasphasendirektoxidation von Propylen an Goldkatalysatoren mit Hilfe eines H2/O2-Gemisches als Oxidationsmittel großes Interesse, da sie bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen mit sehr mit hohen Selektivitäten abläuft. Dabei stellen bisher jedoch geringe Propylenumsätze, niedrige Wasserstoffeffektivitäten und kurze Katalysatorlaufzeiten eine große Herausforderung dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher einige katalysatorseitige Aspekte dieser Reaktion untersucht. Dazu gehörte der Einfluss einzelner Präparationsparameter auf die resultierenden katalytischen Eigenschaften von Au/TS-1-Katalysatoren, die über Cofällung bzw. Auffällung präpariert wurden. Außerdem wurde untersucht, inwieweit die Promotion mit Zweitmetallen eine Möglichkeit darstellt, die elektronischen und strukturellen Eigenschaften der Katalysatoren zu modifizieren und die katalytische Reaktion im gewünschten Sinne zu beeinflussen. Auf diese Weise konnte unter anderem gezeigt werden, dass die Modifizierung eines Au/TS-1-Katalysators mit Cobalt zu einem starken Anstieg der Bildungsgeschwindigkeit von Propylenoxid in der Gasphasenpropylenepoxidierung mit einem H2/O2-Gemisch als Oxidationsmittel führt. Eine detaillierte Untersuchung dieser Au-Co/TS-1-Katalysatoren mit Hilfe von ICP, XPS, TEM, Mikrokalorimetrie und DRIFTS konnte weiterhin zeigen, dass dieser Effekt hauptsächlich durch eine gesteigerte Goldaufnahmefähigkeit des Trägers während der Auffällung erzielt wird. Im Gegensatz zu TiO2-geträgerten Katalysatoren mit ähnlichen Goldgehalten, zeigten die präparierten Au-Co/TS-1-Katalysatoren auch bei niedrigen Reaktionstemperaturen von 125 °C eine außergewöhnliche Stabilität in Bezug auf Desaktivierung, über die bisher nicht in der Literatur berichtet wurde.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2011
Creators: Mennemann, Christina
Title: Synthese von Propylenoxid in der Gasphase an Gold- und Gold-Cobalt-Katalysatoren
Language: German
Abstract:

Propylenoxid ist ein wichtiger chemischer Rohstoff für die Herstellung von Polyurethanen und Polyolen. Mit einer Weltjahresproduktion von 7,5 Mio. t gehört es zu den Basischemikalien, weshalb seiner ressourcenschonenden Produktion eine große Bedeutung zukommt. Die bislang industriell etablierten Verfahren wie das Chlorhydrin- und das Wasserstoffperoxidverfahren haben jedoch gravierende umwelttechnische Nachteile. Auf der Suche nach Alternativen fand insbesondere die Gasphasendirektoxidation von Propylen an Goldkatalysatoren mit Hilfe eines H2/O2-Gemisches als Oxidationsmittel großes Interesse, da sie bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen mit sehr mit hohen Selektivitäten abläuft. Dabei stellen bisher jedoch geringe Propylenumsätze, niedrige Wasserstoffeffektivitäten und kurze Katalysatorlaufzeiten eine große Herausforderung dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher einige katalysatorseitige Aspekte dieser Reaktion untersucht. Dazu gehörte der Einfluss einzelner Präparationsparameter auf die resultierenden katalytischen Eigenschaften von Au/TS-1-Katalysatoren, die über Cofällung bzw. Auffällung präpariert wurden. Außerdem wurde untersucht, inwieweit die Promotion mit Zweitmetallen eine Möglichkeit darstellt, die elektronischen und strukturellen Eigenschaften der Katalysatoren zu modifizieren und die katalytische Reaktion im gewünschten Sinne zu beeinflussen. Auf diese Weise konnte unter anderem gezeigt werden, dass die Modifizierung eines Au/TS-1-Katalysators mit Cobalt zu einem starken Anstieg der Bildungsgeschwindigkeit von Propylenoxid in der Gasphasenpropylenepoxidierung mit einem H2/O2-Gemisch als Oxidationsmittel führt. Eine detaillierte Untersuchung dieser Au-Co/TS-1-Katalysatoren mit Hilfe von ICP, XPS, TEM, Mikrokalorimetrie und DRIFTS konnte weiterhin zeigen, dass dieser Effekt hauptsächlich durch eine gesteigerte Goldaufnahmefähigkeit des Trägers während der Auffällung erzielt wird. Im Gegensatz zu TiO2-geträgerten Katalysatoren mit ähnlichen Goldgehalten, zeigten die präparierten Au-Co/TS-1-Katalysatoren auch bei niedrigen Reaktionstemperaturen von 125 °C eine außergewöhnliche Stabilität in Bezug auf Desaktivierung, über die bisher nicht in der Literatur berichtet wurde.

Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Propylenepoxidierung, Gold, TS-1, Au-Co-Katalysator, Cobalt, Promotor, Katalyse
Divisions: 07 Department of Chemistry
07 Department of Chemistry > Fachgebiet Technische Chemie > Technische Chemie II
07 Department of Chemistry > Fachgebiet Technische Chemie
Date Deposited: 17 Jun 2011 11:10
Official URL: urn:nbn:de:tuda-tuprints-24741
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Claus, Prof. Dr. Peter and Vogel, Prof. Dr.- Herbert
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 7 February 2011
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
propylene epoxidation, gold, TS-1, Au-Co catalyst, cobalt, promoterEnglish
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Propylene oxide (PO) is an important chemical feedstock for the production of polyurethanes and polyoles. With an annual output of 7.5 million tons worldwide PO belongs to the group of bulk chemicals; its resource-efficient production process is ecologically significant. Over the last decades propylene oxide has been industrially produced either by the chlorohydrin- or by the hydrogen peroxide process. The serious environmental drawbacks of these processes prompted further research for alternatives. Especially the gold catalysed direct oxidation of propylene in the gas phase by means of a mixture of H2/O2 as oxidant has drawn much attention as it results in high PO-selectivities at relatively low temperatures. However, small conversions, low hydrogen efficiencies and a fast catalyst deactivation pose a challenge so far. This study investigates some catalytic aspects of this reaction, specifically the influence of different preparation parameters on the resulting catalytic properties of the Au/TS-1 catalysts which were prepared by deposition-precipitation and coprecipitation. Furthermore the study explores whether the modification of the Au/TS-1 catalysts with a second metal offers the possibility of modifying the electronic and textural properties of the catalysts and thus controlling the reaction as desired. The modification of Au/TS-1 catalysts with cobalt resulted in a strong increase in the formation rate of propylene oxide in the direct gas-phase propylene epoxidation using a H2/O2 mixture as oxidant. A detailed investigation of these Au–Co/TS-1 catalysts by means of ICP, XPS, TEM, microcalorimetry and DRIFTS revealed that this effect is mainly due to the higher gold uptake during deposition–precipitation. Compared to TiO2-supported gold catalysts with similar metal contents, the Au-Co/TS-1 catalysts showed an extraordinary stability in terms of deactivation at a low reaction temperature of 125 °C that has not been reported in literature before.English
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