Mit der Fischer-Tropsch-Synthese kann aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, dem sogenannten Synthesegas, eine ganze Bandbreite werthaltiger Kohlenwasserstoffe hergestellt werden. Am Fraunhofer IKTS sind insbesondere eisenbasierte FT-Katalysatoren Forschungsgegenstand, die durch chemische Promotierung und den Einsatz strukturierter keramischer Träger bezüglich Produktselektivität und Umsatz optimiert werden. 

Im Gegensatz zu cobaltbasierten Katalysatoren können diese nicht nur Paraffine und Olefine, sondern auch hochwertige sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe, hauptsächlich Alkohole, erzeugen. Darüber hinaus ist Eisen kostengünstiger und kann im Gegensatz zu Cobalt unter weniger kritischen Bedingungen gefördert werden. 

Neben der Entwicklung von Katalysatoren sowie deren Untersuchung in innovativen Reaktorkonzepten gehört auch deren Bewertung im Kontext von Power-to-X-Konzepten zu den Forschungsthemen.

Katalysatorcharakterisierung und -Screening

Eine umfangreiche reaktionstechnische Charakterisierung erfolgt durch Aufnahme von Temperatur- und Konzentrationsprofilen, Online-Analytik gasförmiger Produktphasen sowie Offline-Untersuchung von flüssigen und festen Produktfraktionen. Durch den anwendungsnahen Reaktorbetrieb und ein konsequentes Qualitätsmanagement ergibt sich eine hohe Reproduzierbarkeit der durchgeführten Versuche, welche die Grundlage für das Screening vielversprechender Einflussgrößen sowie die gezielte Katalysatoroptimierung bildet.

Reaktionsprofile der C1–C9-Produkte an einem Eisenkatalysator bei 473K/21bar

Durch Variation der Katalysatorzusammensetzung und der Betriebsbedingungen sind Aussagen zu den Struktur-Wirkungs-Beziehungen im Katalysator möglich. Insbesondere Oxy­genate wie höhere Alkohole – ein vielversprechendes Zielpro­dukt der Fischer-Tropsch-Synthese an Eisenkatalysatoren – ten­dieren aufgrund ihrer chemischen Struktur stark dazu, in Nebenreaktionen zu unerwünschten Sekundärprodukten umgesetzt zu werden. Durch eine gezielte Einstellung von Betriebsbedingungen wie Temperatur, Katalysatorbelastung sowie Druck ist es möglich, diese unerwünschten Reaktionen zu unterdrücken. Weiterhin kann durch Applikation sogenannter Promotoren wie Kalium, Kupfer oder Molybdän die Produktselektivität in Richtung der höheren Alkohole verschoben werden.

Zusammensetzung der öligen Produktphase für verschieden promotierte Eisenkatalysatoren

Fokussiert werden bei der Untersuchung der Fischer-Tropsch-Synthese vor allem Prozesspfade hin zu hochwertigen chemischen Produkten. Über die zielgerichtete Entwicklung von Eisen- und Cobalt-basierten Katalysatoren wird die Selektivität zu den jeweiligen Zielprodukten optimiert.