WO2013135662A1 - Verfahren zur reduktion von kohlendioxid bei hohen temperaturen an mischmetalloxidkatalysatoren - Google Patents

Verfahren zur reduktion von kohlendioxid bei hohen temperaturen an mischmetalloxidkatalysatoren Download PDF

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WO2013135662A1
WO2013135662A1 PCT/EP2013/054950 EP2013054950W WO2013135662A1 WO 2013135662 A1 WO2013135662 A1 WO 2013135662A1 EP 2013054950 W EP2013054950 W EP 2013054950W WO 2013135662 A1 WO2013135662 A1 WO 2013135662A1
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Emanuel Kockrick
Vanessa GEPERT
Albert TULKE
Leslaw Mleczko
Daniel Wichmann
Alexandra GROSSE-BÖWING
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Definitions

  • the present invention relates to a process for reducing carbon dioxide comprising the step of reacting carbon dioxide and hydrogen in the presence of a catalyst to form carbon monoxide and water.
  • the invention further relates to the use of such a catalyst in the reduction of carbon dioxide.
  • WGS water gas shift reaction
  • WO 2005/026093 A1 describes a process for preparing dimethyl ether (DME) which involves separating a CO 2 -rich stream from a crude product stream with DME and CO 2 from a DME synthesis via synthesis gas.
  • the COj-rich stream is introduced into an RWGS reactor where it reacts with hydrogen in the presence of a catalyst to give a CO rich stream.
  • the CO-rich stream is returned to the methanol synthesis step.
  • DME dimethyl ether
  • EP 2 141 118 A1 deals with a catalyst for use in the floe temperature shift reaction whose active form is a mixture of zinc-aluminum spinel and zinc oxide in combination with an alkali metal from the group Na, K, R b. Cs and their mixtures.
  • the catalyst has a molar ratio of Zn / Al in the range of 0.5 to 1 and a content of alkali metals in the range of 0.4 to 8.0 weight%, based on the weight of the oxi serve catalyst.
  • WO 03/082741 A1 discloses a homogeneous ceria-based mixed metal oxide useful as a catalyst support, a cocatalyst and / or getter having a relatively high surface area by weight, typically in excess of 150 m 2 / g, of a structure of nanocristals having diameters less than 4 nm and contains pores larger than the nanocristals with diameters in the range of 4 to 9 nm.
  • the skeletal structure, Vs is typically less than 2.5 and the surface area per volume of oxide material is greater than 320 m 2 / cm 3 for low internal resistance to mass transfer and large effective surface area for reaction activity.
  • the mixed metal oxide is ceria-based, includes Zr and / or Ii, and is prepared by a co-precipitation process.
  • a fumed catalyst metal typically a noble metal, e.g. Pt, may be loaded onto the mixed metal oxide support from a solution containing catalyst metal after a selected acid surface treatment of the oxide support. Appropriately choosing a ratio of Ce and other metal constituents of the oxide support material helps to maintain a cubic phase to increase catalytic performance.
  • Rhenium is preferably further charged onto the mixed metal oxide support and passivated to increase the activity of the catalyst.
  • the metal-loaded mixed metal oxide catalyst is particularly useful in water-gas shift reactions, in conjunction with fuel treatment systems, e.g. B. in fuel cells.
  • WO 2009/000494 A2 describes a process for preparing a synthesis gas mixture containing hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide, comprising a step of contacting a gas mixture comprising carbon monoxide and hydrogen with a catalyst, wherein the catalyst consists essentially of chromium oxide and aluminum oxide.
  • the process allows the hydrogenation of carbon dioxide to carbon monoxide with high selectivity and good catalyst stability over time and under varying process conditions.
  • the process can be applied separately or combined with other processes, for example, upstream with other synthesis processes to produce products such as aliphatic oxygenates, olefins or aromatics.
  • WO 2008/131898 A 1 relates to a process for preparing a synthesis gas mixture comprising hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide, comprising a step of contacting a gas mixture comprising carbon monoxide and hydrogen with a catalyst, wherein the catalyst consists essentially of manganese oxide and an oxide of at least one metal consists of the group Cr, Ni, La, Ce, W and Pt.
  • the process allows the hydrogenation of carbon dioxide to carbon monoxide with high selectivity and good catalyst stability over time and under varying process conditions.
  • the process may be applied separately or combined upstream and / or downstream with other processes, for example, methane reforming or other synthesis processes to produce products such as alkanes. Aldehydes or alcohols.
  • the catalytically active composition includes an alkaline earth carbonate of Ca, Sr and / or Ba and a mixed oxide with an alkaline earth metal selected from Ca, Sr and / or Ba and a component selected from Ti, Al, Zr, Fe, W and Mo.
  • the mixed oxide is AI 'iO;, AAI2O4, AZrC, AFe2C> 4, AWO4, A2WO5 AM0O4 or, where a is an alkaline earth metal selected from the group Ca, Sr or Ba, and.
  • WO 2011/056715 A1 describes a catalyst support which is used for various catalysts in hydrogenation reactions of carbon dioxide.
  • the support includes a catalyst support material and an active material associated with the support material which is capable of catalyzing the RWGS reaction.
  • a catalyst for hydrogenating carbon dioxide may be disposed on the catalyst carrier.
  • a method of making a catalyst for use in the hydrogenation of carbon dioxide comprises applying to a catalyst support material an active material capable of catalyzing the RWGS reaction.
  • the coated catalyst support material is optionally calcined and a catalyst for the hydrogenation of carbon dioxide is placed on the coated catalyst support material. Also disclosed is a process for the hydrogenation of carbon dioxide and for the production of synthesis gas comprising a hydrocarbon, in particular methane, with a reforming step and an RWGS step with the described catalyst composition.
  • WO 2010/105788 A2 relates to a nickel / lanthanum catalyst Ni / La 2 0 3 for the production of synthesis gas from a hydrocarbon stream.
  • the catalyst is prepared in situ by depositing nickel on a lanthanum oxide support (La203) by contacting the lanthanum oxide support with an aqueous solution of silica sol in the presence of an oxygen-containing gas stream, followed by reduction of the deposited nickel.
  • the catalyst is characterized by being continuously usable for more than 14 days in a process for producing synthesis gas from hydrocarbons without significant catalyst loss.
  • WO 2008/055776 A1 discloses a process for producing a catalytic composition comprising a catalytically active metal and a solid support, wherein a portion of the catalytically active metal is distributed on the outer surface of the support and another part is in the core structure of the solid support and wherein the solid support is a refractory oxide and ion-conductive oxide.
  • the publication HDAL Viana, JTS Irvine, Solid State Ionics 178 (2007) 71 7-722 describes that the proton-conducting oxides Sr3CaZro.5Ta1.5O8.75 (SCZT), BaCeo.9Yo.1O2.95 (BCY10) and Ba3Ca1.
  • i8Nb1.82O8.73 are active heterogeneous catalysts for the RWGS reaction.
  • BCY10 achieves 45% C0 2 conversion at 900 ° C, 3% more than BCN18 (42% total conversion) at 900 ° C.
  • SCZT achieves 36% C0 2 conversion at 900 ° C, but has the lowest starting temperature for the conversion and the lowest activation energy of the investigated materials.
  • the present invention has therefore set itself the task of providing a method for carrying out the RWGS reaction, which can be operated with a low-cost catalyst with high activity and selectivity and a long-term stability at high temperatures.
  • This object is achieved by a method for the reduction of carbon dioxide, comprising the step of the reaction of carbon dioxide and hydrogen in the presence of a catalyst to form carbon monoxide and water, wherein the reaction is carried out at a temperature of> 700 ° C and the catalyst Mixed metal oxide (I) comprises:
  • A, A 'and A are independently selected from the group: Mg, Ca, Sr, Ba, Li, Na, K, Rb. Cs, Sn, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm , Eu, Gd Tb, Dy, Ho, Er, Im, Yb, Tl, Lu, Ni, Co, Pb, Bi and / or Cd;
  • B, B 'and B are independently selected from the group: Cr, Mn, Fe, Bi, Cd, Co, Cu, Ni, Sn, A, Ga, Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, Yb, Mg, Li, Na, K, Ce, Zn, Re, Ru.
  • Rh, Pd, Os, Ir and / or Pt 0 ⁇ w ⁇ 0.5; 0 ⁇ x ⁇ 0.5; 0 ⁇ y ⁇ 0.5; 0 ⁇ z ⁇ 0.5 and -1 ⁇ delta ⁇ 1.
  • the catalysts used according to the invention or their conversion products under the prevailing reaction conditions are stable catalysts which are comparable with industrial benchmark systems in at least one respect.
  • the R WGS reaction can be selectively operated at the elevated temperatures of this invention.
  • B, B 'and B are independently selected from the group: Cr, Mn, Fe, Bi, Cd, Co, Cu, Ni, Sn, Al, Ga , Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, Pb, Hf, Zr, Tb, W, Gd, Yb, Mg, Li, Na, K, Ce and / or Zn.
  • Such a method dispenses with the use of the noble metals selected from the above-mentioned method in mixed metal oxide selected from Re, R u. Rh, Pd. Os, Ir and / or Pt, in general, soften
  • the present invention relates to the recovery of CO and I LO by RWGS reaction. This is in contrast to the WGS reaction, where possibly the back reaction also leads to CO and 1 1).
  • the process according to the invention is preferably carried out such that the conversion of CO 2 after completion of the reaction (in particular after leaving a reactor such as, for example, an axial flow reactor) is more than 35 mol%, preferably more than 40 mol%, more preferably more than 45 mol% and most preferably above 50 mole%.
  • the mixed metal oxides (I) preferably have a perovskite structure or a distorted perovskite structure.
  • an ideal perovskite structure is understood to mean a structure ABO3 in which the cations A and the oxygen ions form a cubic-dense sphere packing build up. Each fourth octahedral gap of the spherical packing is occupied by cations B. As there are as many octahedral gaps as packing particles in a dense spherical packing, the sum formula ABO3 results again. Deviations from this stoichiometry are also possible within the classical perovskite structure. It '(i. W y A "x B.
  • Z) B' are mostly cation shares with sub- or excess weights that (by a corresponding deviation in the oxide content (according to the formula A i. W-x) A y B 'z-Deita 03) are compensated and / or structures with potential cation vacancies as A i (. p) BO (3-Deita).
  • the perovskite structures include not only the classical cubic crystal lattices but also those with distorted lattices such as orthorhombic and rhombohedral crystal structures. Also other types with different stoichiometries belong to it, like the so-called Schichtperowskiten or Ruddlesden Popper phases with the general formula (AO) ( , q ). (AB0 3 ) q .
  • Mixed metal oxides of type (I) can be prepared, inter alia, by physical (such as PVD) and chemical methods, the latter mainly in the solid phase or liquid phase. Examples include precipitation, co-precipitation, sol-gel process, impregnation, ignition / combustion methods and further gas phase methods such as CVD.
  • physical such as PVD
  • chemical methods the latter mainly in the solid phase or liquid phase. Examples include precipitation, co-precipitation, sol-gel process, impregnation, ignition / combustion methods and further gas phase methods such as CVD.
  • reaction products includes the catalyst phases present under reaction conditions.
  • the gas mixture to which the catalyst is exposed during the reaction comprising carbon dioxide, hydrogen, carbon monoxide and water may contain these four components, for example, in a content of> 80% by weight, preferably> 90% by weight and more preferably> 95% by weight ,
  • phase separated forms were investigated. Without being bound by theory, it is believed that conversion to phase separated forms may occur.
  • An example of this is nickel and / or nickel oxide in and / or on lanthanum oxide.
  • structural units within such a catalytically active system include monometallic phases or particles of A, A ', A ", B, B' or B", simple metal oxide phases or particles of the A-oxide type, A'-oxides, B-oxides or B'-oxides and metal-alloying phases or particles of the type AA, BB ', AB, AB'. AB, B ', A BB', ABB ', etc. are equally conceivable mixed oxide phases of the type of AA'-oxides, BB'-oxides, in the entire phase width of A, ⁇ ', B and B " and / or different carbonate phases , Etc.
  • a reaction temperature of> 700 ° C is provided.
  • the reaction temperature is> 850 ° C, and more preferably> 900 ° C.
  • a hydrocarbon having 1 to 4 ( ' atoms) is added during the reaction Suitable hydrocarbons are, in particular, aikanes having 1 to 4 ( ' atoms, methane being particularly suitable If the reaction is carried out in an axial flow reactor, it may be possible that the addition of the hydrocarbon takes place at any position along the longitudinal axis of the reactor, for example, adding hydrocarbon at the reactor inlet, at the reactor outlet and / or
  • the hydrocarbon may, for example, be present in a proportion of> 0.01% by volume to ⁇ 20% by volume, preferably> 0.1% by volume to ⁇ 10% by volume and more preferably> 1% by volume to ⁇ 10% by volume, based on the total volume of the reaction gases depending on this, it is preferable that the concentration of the hydrocarbon after the reaction, particularly at the exit of a reactor in which the
  • the mixed metal oxide (I) comprises LaN iO * and / or LaNio, 7-o, 9Feo, 1 -O ⁇ O 3 (in particular LaNio, gFeo, 203).
  • the mixed metal oxide (I) is LaNiO; and / or LaNio.sFeo ⁇ Os.
  • the reaction is carried out at a temperature of> 700 ° C to ⁇ 1300 ° C. More preferred ranges are> 800 ° C to ⁇ 1200 ° C and> 900 ° C to ⁇ 1 100 ° C, especially> 850 ° C to ⁇ 1050 ° C.
  • the reaction is carried out at a pressure of> 1 bar to ⁇ 200 bar.
  • the pressure is> 2 bar to ⁇ 50 bar, more preferably> 10 bar to ⁇ 30 bar.
  • the catalyst is applied to a support and the support is selected from the group comprising oxides, carbides, nitrides, phosphides and / or borides of aluminum, silicon and / or zirconium. An example of this is SiC. Further preferred is cordierite.
  • the reaction is operated in autothermal mode.
  • a further subject of the present invention is the use of a catalyst comprising a mixed metal oxide in the reaction of carbon dioxide and hydrogen, wherein carbon monoxide and water are formed, the catalyst comprising a mixed metal oxide (I):
  • A, A 'and A are independently selected from the group: Mg, Ca, Sr, Ba, Li, Na, K, Rb. Cs, Sn, Sc, Y, La. Ce, Pr, Nd, Pm, Sm , Eu, Gd, Tb. Dy, Ho, Er, im, Yb, Tl, Lu, Ni, Co, Pb, Bi and / or Cd, and
  • B, B 'and B are independently selected from the group: Cr, Mn, Fe, Bi, Cd, Co, Cu, Ni, Sn, Al, Ga, Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, Pb , II, Zr, i b, W, Cid, Yb, Mg, Li, Na, K, Ce, Zn, Re, Ru.
  • B, B 'and B are independently selected from the group: Cr, Mn, Fe, Bi, Cd, Co, Cu, Ni, Sn, Al, Ga. Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, Pb, Hf, Zr, Tb, W, Cid, Yb, Mg, Li, Na, K, Ce and / or Zn Accordingly, the use of the expensive noble metal constituents in the catalyst is also omitted in this context.
  • reaction products includes the catalyst phases present under reaction conditions.
  • the mixed metal oxide (I) comprises LaNiO; and or (especially Preferably, the mixed metal oxide (I) is LaNiC and / or
  • the catalyst is supported and the carrier is selected from the group comprising oxides, carbides, nitrides, phosphides and / or borides of aluminum, silicon and / or zirconium. An example of this is SiC. Further preferred is cordierite.
  • FIG. 1 shows schematically an expanded view of a reactor for carrying out the method according to the invention.
  • FIG. 2-5 show turnover curves for CO2 in various RWGS experiments
  • the reaction can be carried out in a flow reactor, which in the flow direction of the reaction gases comprises a plurality of heating levels 100, 101, 102, 103, which are electrically heated by means of heating elements 1 10, 11, 12, 113 113, wherein the Fleece planes 100, 101, 102, 100 are flowed through by the reaction gases, wherein at least one heating element 110, 111, 112, 113, the catalyst is arranged and is heated there and at least once an intermediate level 200, 201, 202 between two heating levels 100, 101st , 102, 103 is arranged, wherein the intermediate level 200, 201, 202 can also be flowed through by the reaction gases.
  • the reactor has a plurality of (in the present case four) Fleizebenen 100, 101, 102, 103, which are electrically heated by means of corresponding heating elements 110, I I I, 112, 1 13.
  • the heating levels 100, 101, 102, 103 are flowed through by the reaction gases in the operation of the reactor and the heating elements 1 10, 1 1 1, 1 12, 1 13 are contacted by the reaction gases.
  • the catalyst is arranged on at least one Fleizelement 110, 111, 1 12, 1 1 3 and is heated there.
  • the catalyst can be used directly or indirectly with the heating elements 110, 11 1, 1 12, 1 13 be connected, so that these heating elements represent the catalyst support or a support for the catalyst support.
  • the heat supply of the reaction takes place electrically and is not introduced from the outside by means of radiation through the walls of the reactor, but directly into the interior of the reaction space. It is realized a direct electrical heating of the catalyst.
  • 1 1 1, 1 12, 1 13 are preferably Bankleiterlegierungen such as FeCrAl alloys used.
  • electrically conductive Si-based materials particularly preferably SiC, and / or carbon-based materials.
  • at least one, for example, ceramic intermediate level 200, 201, 202 (which is preferably supported by a ceramic or metallic framework plane) is arranged between two heating levels 100, 101, 102, 103, the intermediate level (s) being 200, 201, 202 or the contents 210, 21 1, 212 of an intermediate level 200, 201, 202 are also flowed through during operation of the reactor from the reaction gases. This has the effect of flomogenizing the fluid flow.
  • additional catalyst is present in one or more intermediate levels 200, 201, 202 or other isolation elements in the reactor. Then an adiabatic reaction can take place.
  • the material forms an AhC protective layer by the action of temperature in the presence of air / oxygen.
  • This passivation layer can serve as the basis of a washcoat which acts as a catalytically active coating. This realizes the direct heating of the catalyst or the heat supply of the reaction directly via the catalytic structure. It is also possible, when using other heating conductors, the formation of other protective layers such as Si-O-C systems.
  • the pressure in the reactor can take place via a pressure-resistant Stah lmantel.
  • the pressure-bearing steel can be exposed to temperatures of less than 200 ° C and, where necessary, less than 60 ° C.
  • it can be ensured that, when the dew point is undershot, there is no condensation of water on the steel jacket.
  • the electrical connections are shown in FIG. 1 only shown very schematically. They can be performed in the cold area of the reactor within an insulation to the ends of the reactor or laterally from the heating elements 1 10, 1 1 1, 1 12, 1 13 performed so that the actual electrical connections can be provided in the cold region of the reactor.
  • the electrical heating is done with direct current or alternating current.
  • the use of the electrically heated elements in the inlet region of the reactor also has a positive effect with regard to the cold start and starting behavior, in particular with regard to rapid heating to the reaction temperature and better controllability.
  • the catalyst can be present in principle as a loose bed, as a washcoat or as a monolithic shaped body on the heating elements 110, 111, 112, 13. However, it is preferred that the catalyst is directly or indirectly connected to the heating elements 110, 111, 112, 13 so that these heating elements constitute the catalyst support or a support for the catalyst support. It is also possible that additional catalyst is present in one or more intermediate levels 200, 201, 202 or other isolation elements in the reactor.
  • heating levels 100, 101, 102, 103 heating elements 1 10, I I I. 1 12, 1 1 3 are arranged, which are spirally, meandering, grid-shaped and / or net-shaped.
  • the 212 comprise a material resistant to the reaction conditions, for example a ceramic foam. They serve for mechanical support of the heating levels 100, 101, 102, 103 and for mixing and distribution of the gas stream. At the same time an electrical insulation between two heating levels is possible. It is preferred that the material of the content 210, 2 1 1, 2 1 2 an intermediate level 200, 201, 202 oxides, carbides, nitrides, phosphides and / or borides of aluminum, silicon and / or zirconium comprises. An example of this is SiC. Further preferred is cordierite.
  • the intermediate level 200, 201, 202 may include, for example, a loose bed of solids. These solids themselves may be porous or solid, so that the fluid flows through gaps between the solids. It is preferred that the material of the solid bodies comprises oxides, carbides, nitrides, phosphides and / or borides of aluminum, silicon and / or zirconium. An example of this is SiC. Further preferred is cordierite.
  • the intermediate plane 200, 201, 202 comprises a one-piece porous solid.
  • the fluid flows through the intermediate plane via the pores of the solid.
  • honeycomb monoliths as used for example in the exhaust gas purification of internal combustion engines.
  • the average length of a heating level 100, 101, 102, 103 is viewed in the direction of flow of the fluid and the average length of an intermediate level 200, 201, 202 in the direction of flow of the fluid is in a ratio of> 0.01: 1 to ⁇ 100: 1 to each other. Even more advantageous are ratios of> 0.1: 1 to ⁇ 10: 1 or 0.5: 1 to ⁇ 5: 1.
  • At least one heating element 110, 111, 112, 113 can have a different amount and / or type of catalyst from the remaining heating elements 110, III, 112, 113.
  • the heating elements 110, III.112, 113 are arranged so that they can each be electrically heated independently. Accordingly, in the method according to the invention, the individual heating elements 110, 111, 112, 113 can be operated with a different heating power.
  • the individual heating levels can be individually controlled and regulated.
  • In the reactor inlet area can be dispensed with a catalyst in the heating levels as needed, so that only the heating and no reaction takes place in the inlet area. This is particularly advantageous in terms of starting the reactor.
  • a temperature profile adapted for the respective reaction can be achieved. With regard to the application for endothermic equilibrium reactions, this is, for example, a temperature profile which achieves the highest temperatures and thus the highest conversion at the reactor outlet.
  • the reactor can be modular.
  • a module may include, for example, a heating level, an intermediate level, the electrical con tact and the corresponding further insulation materials and thermal insulation materials.
  • the product was resolidified after cooling and then calcined at 300 ° C for 1 h in the oven.
  • the product was ground again after cooling and then calcined in a muffle furnace at 600 ° C for 5h. Subsequently, the sample was calcined at 1000 ° C for 5 hours under air atmosphere.
  • Na 2 C0 3 (2.65 g) were placed in 3 1 ml of water.
  • La (N0) .6H 2 0 (4.33 g), Ni (N0 3) 2 .6H 2 0 (2.33 g) and Fe (N0 3) 3 .9H 2 0 (0.81 g) were dissolved in Dissolved 40 ml of water.
  • the metal salt solution was added to the sodium carbonate solution with rapid stirring. After adding the last drop of metal salt solution, the mixture was aged for 1 hour with slow stirring. The precipitate was then filtered off and washed several times on the filter with fresh water. It was then dried in a vacuum drying oven at 90 ° C. overnight. Thereafter, the catalyst was crushed and calcined at 600 ° C for 2 h in a muffle furnace. Subsequently, the sample was calcined at 1000 ° C for 5 hours under air atmosphere.
  • RWGS reactions General Experimental Description: in the context of the catalytic tests, initially from 0.5 to 4 mg of the catalyst with 210 mg of a SiC diluent material in each case in the sieve size fraction of 100-200 ⁇ or 125-185 lim were intensively mixed.
  • the catalytic tests were carried out (with a space velocity of 00000 1 l / 'h) in a U-tubular fixed bed reactor made of quartz glass at an oven temperature of 850 ° C.
  • the sample was heated to the target temperature of 850 ° C in a nitrogen flow (250 Nml / min).
  • the reactive gases hydrogen (75 Nml / min) and carbon dioxide (50 Nml / min) were metered in at the same time as the nitrogen flow was reduced to 125 Nml / m in.
  • After a mixing time of 30 min these were applied to the catalyst system in the reactor.
  • the catalyst was cooled to room temperature under inert conditions.
  • the analysis of the product gas mixture was carried out using a multi-channel infrared analyzer.
  • Example 4 Comparison between a Perovskite and a Commercially Available Ni Catalyst
  • the following table summarizes the results of the catalyst comparison in the R WGS reaction for the catalyst of Example 1 and a commercial nickel catalyst.
  • X7.5h (C02) [%] means the conversion of CO2, here after 7.5 hours, expressed in mole percent.
  • the term “r e ff ; 7,5h (C02)” indicates the corresponding average reaction rate of CO2 and "X65h (C0 2 ) / X3h (C0 2 )” is the quotient of the CC conversion after 65 hours and after 3 hours.
  • the following table summarizes the results of the catalyst comparison in the RWGS reaction.
  • Xv.shiCC [%] means the conversion of CO2, here after 7.5 hours, expressed in mole percent.
  • r e ff ; 7,5h (C02) indicates the corresponding average reaction rate of CO2 and "X7,5h (C02) / X3h (C02)” is the quotient of the CO2 conversion after 7.5 hours and After 3 hours.
  • FIG. 3 shows the CO: conversion curves over the reaction time for the various catalysts.
  • the thermodynamic limitation at about 60% conversion is indicated by "TD".
  • the catalytic activity increases with respect to the calculation of the overall reaction rate in the order of chromium ⁇ manganese ⁇ iron ⁇ cobalt ⁇ nickel, corresponding to their increasing atomic numbers.
  • the stability of the systems increases in the order of chromium ⁇ cobalt ⁇ iron ⁇ manganese ⁇ nickel.
  • Example 6 Comparison of different Syntheseniethoden at the LAN iO --Katal y sator
  • FIG. 4 illustrates the CO2 turnover curves over the reaction time for these catalysts.
  • the thermodynamic limitation at about 60% conversion is indicated by "TD"
  • the curve for the co-precipitation by "1”
  • the curve for the citrate method by "2”. Both the catalytic activity and the stability of the co-precipitated system are higher than those of the catalyst prepared by the citrate method.
  • Example 7 Comparison of the catalysts LaNiC and LaNio.gFeo.2Q3

Abstract

Ein Verfahren zur Reduktion von Kohlendioxid, umfassend den Schritt der Reaktion von Kohlendioxid und Wasserstoff in Gegenwart eines Katalysators unter Bildung von Kohlenmonoxid und Wasser, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktion bei einer Temperatur von ≥ 700 °C durchgeführt wird und dass der Katalysator ein Mischmetalloxid (I) umfasst: (I) A(1-w-x)A'wA''xB(1-y-z)B'yB''zO3-delta und/oder Reaktionsprodukte von (I) in Gegenwart eines Gasgemischs umfassend Kohlendioxid, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Wasser bei einer Temperatur von ≥ 700 °C; A, A' und A'' sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe: Mg, Ca, Sr, Ba, Li, Na, K, Rb, Cs, Sn, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Tl, Lu, Ni, Co, Pb, Bi und/oder Cd. B, B' und B'' sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe: Cr, Mn, Fe, Bi, Cd, Co, Cu, Ni, Sn, Al, Ga, Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, Pb, Hf, Zr, Tb, W, Gd, Yb, Mg, Li, Na, K, Ce, Zn, Re, Ru, Rh, Pd, Os, Ir und/oder Pt. 0 ≤ w ≤ 0,5; 0 ≤ x ≤ 0,5; 0 ≤ y ≤ 0,5; 0 ≤ z ≤ 0,5 und - ≤ delta ≤ 1.

Description

V erfahren zur Reduktion von Kohlendioxid bei hohen Temperaturen an Mischmetalloxid- katalvsatoren
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von Kohlendioxid, umfassend den Schritt der Reaktion von Kohlendioxid und Wasserstoff in Gegenwart eines Katalysators unter Bildung von Kohlenmonoxid und Wasser. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung eines solchen Katalysators in der Reduktion von Kohlendioxid.
Die sogenannte Wassergas-Verschiebungsreaktion (water gas shift reaction, WGS) wird seit Langem zur Verringerung des CO-Anteils in Synthesegas eingesetzt und beinhaltet die Reaktion von Kohlenmonoxid mit Wasser unter Bildung von Kohlendioxid und Wasserstoff. Diese Reaktion ist eine Gleichgewichtsreaktion.
Sofern in einem chemischen Prozess nicht die Verringerung des Kohlenmonoxid-Gehaltes, sondern des Kohlendioxid-Gehaltes erwünscht ist, käme die umgekehrte Wassergas-Verschiebungsreaktion in Frage, welche in der englischsprachigen Literatur auch als reverse water gas shift reaction oder RWGS bekannt ist. WO 2005/026093 AI beschreibt beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung von Dimethylether (DME), welches das Abtrennen eines CO^-reichen Stroms von einem Rohprociuktstrom mit DME und CO2 aus einer DME-Synthese über Synthesegas beinhaltet. Der COj-reiche Strom wird in einen RWGS-Reaktor eingeführt, in dem er mit Wasserstoff in Gegenwart eines Katalysators reagiert, wodurch ein CO-reicher Strom erhalten wird. Der CO-reiche Strom wird in den Schritt der Methanolsynthese wieder zurückgeführt. Gemäß dieser Veröffentlichung kann ein Großteil des C02-Gases aus der Herstellung von DME wiederverwertet werden, wodurch die Ausbeute an DME erhöht wird und die Menge an freigesetztem CO2 verringert wird.
EP 2 141 118 AI beschäftigt sich mit einem Katalysator zur Verwendung in der Flochtemperatur- Verschiebungsreaktion, dessen aktive Form eine Mischung aus Zink-Aluminium-Spinell und Zinkoxid in Kombination mit einem Alkalimetall aus der Gruppe Na, K, R b. Cs und deren Mischungen. Der Katalysator hat ein molares Verhältnis von Zn/Al im Bereich von 0,5 bis 1 und einen Gehalt an Alkalimetallen im Bereich von 0,4 bis 8,0 Gewichts-%, bezogen auf das Gewicht des oxi dienen Katalysators.
WO 03/082741 AI offenbart ein homogenes Ceroxid-basiertes Mischmetalloxid, verwendbar als Katalysatorträger, ein Co-Katalysator und/oder Getter mit einem relativ großen Oberflächeninhalt pro Gewicht, typischerweise über 150 m2/g, einer Struktur von Nanokristailiten mit Durchmessern von weniger als 4 nm und beinhaltend Poren größer als die Nanokristailiten mit Durchmessern im Bereich von 4 bis 9 nm. Das Verhältnis von Porenvolumen. Vp, zu Gerüstvolumen bzw. Volumen der skelettartigen Struktur, Vs, ist typischerweise weniger als 2,5, und der Oberflächeninhalt pro Volumen des Oxidmaterials ist größer als 320 m2/cm3 für geringen internen Widerstand gegenüber Massetransfer und große effektive Oberfläche für Reaktionsaktivität.
Das Mischmetalloxid ist Ceroxid-basiert, umfasst Zr und/oder I i und wird durch ein Co- Präzipitationsverfahren hergestellt. Ein hochdisperses Katalysatormetall, typischerweise ein Edelmetall, z. B. Pt, kann auf den Mischmetalloxid-Träger aus einer Katalysatormetall enthaltenden Lösung geladen werden, nach einer ausgewählten Säure-Oberflächenbehandlung des Oxidträgers. Geeignetes Wählen eines Verhältnisses von Ce und anderen Metallbestandteilen des Oxidträgermaterials tragen dazu bei, eine kubische Phase beizubehalten, um die katalytische Leistung zu erhöhen. Rhenium wird vorzugsweise weiter auf das Mischmetalloxid-Trägermaterial geladen und passiviert, um die Aktivität des Katalysators zu erhöhen.
Der metallbeladene Mischmetalloxid-Katalysator wird insbesondere angewendet bei Wasser-Gas- Shiftreaktionen, in Verbindung mit Brennstoffaufbereitungssystemen, z. B. bei Brennstoffzellen.
WO 2009/000494 A2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Synthesegasmischung enthaltend Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, umfassend einen Schritt des Kontaktierens einer Gasmischung enthaltend Kohlenmonoxid und Wasserstoff mit einem Katalysator, wobei der Katalysator im Wesentlichen aus Chromoxid und Aluminiumoxid besteht. Gemäß dieser Patentanmeldung ermöglicht das Verfahren die Hydrierung von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid mit hoher Selektivität und guter Katalysatorstabilität im zeitlichen Verlauf und unter wechselnden Verfahrensbedingungen. Der Prozess kann separat angewandt werden oder aber auch mit anderen Prozessen kombiniert werden, zum Beispiel stromaufwärts mit anderen Syntheseprozessen zur Herstellung von Produkten wie aliphatischen Oxygenaten, Olefinen oder Aromaten.
WO 2008/131898 A 1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Synthesegasmischung enthaltend Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, umfassend einen Schritt des Kontaktierens einer Gasmischung enthaltend Kohlenmonoxid und Wasserstoff mit einem Katalysator, wobei der Katalysator im Wesentlichen aus Manganoxid und einem Oxid von wenigstens einem Metal l aus der Gruppe Cr, Ni, La, Ce, W und Pt besteht. Gemäß dieser Patentanmeldung ermöglicht das Verfahren die Hydrierung von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid mit hoher Selektivität und guter Katalysatorstabilität im zeitlichen Verlauf und unter wechselnden Verfahrensbedingungen. Der Prozess kann separat angewandt werden oder aber auch stromaufwärts und/oder stromabwärts mit anderen Prozessen kombiniert werden, zum Beispiel der Methanreformierung oder anderen Syntheseprozessen zur Hersteilung von Produkten wie Alkane. Aldehyde oder Alkohole. JP 2010/194534 beschäftigt sich mit einem Katalysator für die RWGS-Reaktion und einem Verfahren zu dessen Herstellung. Die katalytisch aktive Zusammensetzung beinhaltet ein Erdalkalicarbonat von Ca, Sr und/oder Ba und ein Mischoxid mit einem Erdalkalimetall aus der Gruppe Ca, Sr und/oder Ba und eine Komponente aus der Gruppe Ti, AI, Zr, Fe, W und oder Mo. Das Mischoxid ist A I'iO ;, AAI2O4, AZrC , AFe2C>4, AWO4, A2WO5 oder AM0O4, wobei A ein Erdalkalimetall aus der Gruppe Ca, Sr und oder Ba ist.
JP 5301705 offenbart das simultane Kontaktieren C( );-Gas und einem reduzierenden Gas mit einer Verbindung vom Perowskit-Typ mit einer Zusammensetzung LaxSri.xCoOdeita (x = 0-0,8; delta = 1- 3) bei erhöhter Temperatur. WO 2011/056715 AI beschreibt einen Katalysatorträger, welcher für verschiedene Katalysatoren in Hydrierungsreaktionen von Kohlendioxid verwendet wird. Der Träger beinhaltet ein Katalysatorträgermaterial und ein mit dem Trägermaterial assoziiertes aktives Material, welches die RWGS-Reaktion zu katalysieren vermag. Ein Katalysator zur Hydrierung von Kohlendioxid kann auf dem Katalysatorträger angeordnet sein. Ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysators zur Verwendung in der Hydrierung von Kohlendioxid umfasst das Aufbringen eines aktiven Materials, welches die RWGS-Reaktion katalysieren kann, auf ein Katalysatorträgermaterial. Das beschichtete Katalysatorträgermaterial wird optional kalziniert und ein Katalysator für die Hydrierung von Kohlendioxid wird auf dem beschichteten Katalysatorträgermaterial angeordnet. Offenbart wird auch ein Verfahren zur Hydrierung von Kohlendioxid und zur Herstellung von Synthesegas umfassend einen Kohlenwasserstoff, insb esondere Methan, mit einem Reformierungsschritt und einem RWGS-Schritt mit der beschriebenen Katalysatorzusammensetzung.
WO 2010/105788 A2 betrifft einen Nickel/Lanthankatalysator Ni/La203 zur Herstellung von Synthesegas aus einem Kohlenwasserstoff-Strom. Der Katalysator wird in situ hergestellt, indem Nickel auf einem Lanthanoxidträger (La203) abgeschieden wird mittels Kontaktieren des Lanthanoxidträgers mit einer wässrigen N i ck e lsa lz lösu ng in Gegenwart eines Sauerstoff enthaltenden Gasstroms, gefolgt von der Reduktion des abgeschiedenen Nickels. Der Katalysator zeichnet sich dadurch aus, dass er für mehr als 14 Tage in einem Verfahren zur Herstellung von Synthesegas aus Kohlenwasserstoffen kontinuierlich eingesetzt werden kann, ohne dass ein signifikanter Verlust von Katalysatoraktivität auftritt.
WO 2008/055776 AI offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer katalytischen Zusammensetzung umfassend ein katalytisch aktives Metall und einen festen Träger, wobei ein Teil des katalytisch aktiven Metalls auf der äußeren Oberfläche des Trägers verteilt ist und ein weiterer Teil sich in der Kernstruktur des festen Trägers befindet und wobei der feste Träger ein Refraktäroxid und ionenleitendes Oxid ist. Die Publikation H.D.A.L. Viana, J.T.S. Irvine, Solid State lonics 178 (2007) 71 7-722 beschreibt, dass die protonenleitenden Oxide Sr3CaZro.5Ta1.5O8.75 (SCZT), BaCeo.9Yo.1O2.95 (BCYl O) und Ba3Ca1.i8Nb1.82O8.73 (BCN18) aktive heterogene Katalysatoren für die RWGS-Reaktion sind. BCY10 erreicht 45% C02-Umsatz bei 900 °C, 3% mehr als BCN18 (42% Gesamtumsatz) bei 900 °C. SCZT erreicht 36% C02-Umsatz bei 900 °C, aber weist die geringste Starttemperatur für den Umsatz und die geringste Aktivierungsenergie der untersuchten Materialien auf.
Eine Bildung von Kohlenstoffnanoröhren und unter Umständen Methan als Nebenprodukte in der RWGS-Reaktion ist wird in der Publikation von T. Maneerung, Abstracts of Papers, 239th ACS National Meeting, San Francisco, CA, USA CATL-1 1 behandelt. LaNiO ;-Perowskite mit Kalium- Promotern wurden als Katalysatoren eingesetzt.
Liu et al., Catalysis Letters 2006, 108, 37-44 beschreiben Katalysatoren des Typs La2Ni04 und ihre Untersuchung in der während des CT I CO -Refbrmierens ablaufenden RWGS-Reaktion und Chen et al. , J. Phys . Chem. A 201 0, 1 1 4, 3773-3781 beschreiben den Einfluss von Kalium auf i-K. A 1:0 ^-Katalysatoren in der Synthese von Kohlenstoffnanoröhren durch kataiytische Hydrierung von CO2.
Die Zersetzung von Perowskitphasen LaBO ; ist Gegenstand der Publikation von Nakamura et al, Mat. Res. Bull. 1979, 14, 649-659. Chen et al., Chem. Eng. J. 2010, 160, 333-339 beschreiben LaMnO.*-, La eO ;-. LaCoO*- und LaNi03-Perowskitoxide für das autotherme Reformieren von Ethanol (ATRE). Um mit der RWGS-Reaktion einen wirtschaftlichen Umsatz zu erreichen, sollte sie bei einer deutlich höheren Temperatur betrieben werden (über 700 °C) als in der Literatur üblich, um das Gleichgewicht in Richtung Kohlenmonoxid zu verschieben.
Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Durchführung der RWGS-Reaktion bereitzustellen, welches mit einem kostengünstigen Katalysator mit hoher Aktivität und Selektivität sowie einer Langzeitstabilität bei hohen Temperaturen betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Reduktion von Kohlendioxid, umfassend den Schritt der Reaktion von Kohlendioxid und Wasserstoff in Gegenwart eines Katalysators unter Bildung von Kohlenmonoxid und Wasser, wobei die Reaktion bei einer Temperatur von > 700 °C durchgeführt wird und der Katalysator ein Mischmetalloxid (I) umfasst:
A(1-W-X)A' wA"xB(l-y-z)B'yB"z03-delta (I) und/oder Reaktionsprodukte von (I) in Gegenwart eines Gasgemischs umfassend Kohlendioxid, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Wasser bei einer Temperatur von > 700 °C; wobei gilt:
A, A' und A" sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe: Mg, Ca, Sr, Ba, Li, Na, K, Rb. Cs, Sn, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd. Tb, Dy, Ho, Er, I m, Yb, Tl , Lu, Ni, Co, Pb, Bi und/oder Cd; und
B, B' und B" sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe: Cr, Mn, Fe, Bi, Cd, Co, Cu, Ni, Sn, A I. Ga, Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, Pb, I I f. Zr, Tb, W, Gel. Yb, Mg, Li, Na, K, Ce, Zn, Re, Ru.
Rh, Pd, Os, Ir und/oder Pt; und 0 < w < 0,5; 0 < x < 0,5; 0 < y < 0,5; 0 < z < 0,5 und -1 < delta < 1.
Es wurde überraschenderweise gefunden, dass die erfindungsgemäß eingesetzten Katalysatoren beziehungsweise deren Umwandlungsprodukte unter den herrschenden Reaktionsbedingungen stabile Katalysatoren sind, welche mit industriellen Benchmarksystemen mindestens in einer Hinsicht vergleichbar sind. Die R WGS-Reak t ion k ann bei den erfindungsgemäß erhöhten Temperaturen selektiv betrieben werden.
Besonders vorteilhaft ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren, in dem B, B' und B" unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe: Cr, Mn, Fe, Bi, Cd, Co, Cu, Ni, Sn, AI, Ga, Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, Pb, Hf, Zr, Tb, W, Gd, Yb, Mg, Li, Na, K, Ce und/oder Zn.
Ein s olches Verfahren verzichtet auf den Einsatz der im vorgenannten Verfahren im Mischmetalloxid befindlichen Edelmetalle ausgewählt aus Re, R u. Rh, Pd. Os, Ir und/oder Pt, weiche im allgemeinen
Es sei an dieser Stelle ausdrücklich festgehalten, dass die vorliegende Erfindung die Gewinnung von CO und I LO durch RWGS-Reaktion betrifft. Dieses ist im Gegensatz zur WGS-Reaktion, in der möglicherweise die Rückreaktion auch zu CO und 1 1 ) führt. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt, dass der Umsatz von CO2 nach Beendigung der Reaktion (insbesondere nach Verlassen eines Reaktors wie beispielsweise eines axialen Strömungsreaktors) über 35 Mol-%, bevorzugt über 40 Mol-%, mehr bevorzugt über 45 Mol-% und am meisten bevorzugt über 50 Mol-% liegt.
Die Mischmetalloxide (I) weisen bevorzugt eine Perowskitstruktur oder eine verzerrte Perowskitstruktur auf. Unter einer idealen Perowskitstruktur ist hierbei eine Struktur ABO3 zu verstehen, bei der die Kationen A und die Sauerstoffionen eine kubisch-dichteste Kugelpackung aufbauen. Jede vierte Oktaederlücke der Kugelpackung ist dabei von Kationen B besetzt. Da in einer dichtesten Kugelpackung genauso viele Oktaederlücken wie Packungsteilchen vorhanden sind, ergibt sich wiederum die Summenformel ABO3. Abweichungen von dieser Stöchiometrie sind auch innerhalb der klassischen Perowskitstruktur möglich. Dabei handelt es sich meist um Kationenanteile mit unter- oder überschüssigen Wertigkeiten, die durch eine entsprechende Abweichung im Oxidgehalt (nach der allgemeinen Formel A (i.w-x)A' wA"xB(i.y.z)B'yB"z03-deita) kompensiert werden und/oder um Strukturen mit möglichen Kationenvakanzen wie A(i.p)BO(3-deita).
Zu den perowskitischen Strukturen gehören neben den klassischen kubischen Kristallgittern auch jene mit verzerrten Gittern wie orthorhombische und rhomboedrische Kristallstrukturen. Auch gehören andere Typen mit unterschiedlichen Stöchiometrien dazu, wie die sogenannten Schichtperowskiten beziehungsweise Ruddlesden-Popper-Phasen mit der allgemeinen Formel (AO)(,.q).(AB03)q.
Hinsichtlich der Parameter w, x, y, z und delta sind bevorzugte Werte unabhängig voneinander:
0 < w < 0,5; 0 < x < 0,5; 0 < y < 0,5; 0 < z < 0,5 und -0,5 < delta < 0,5. Bevorzugte Mischmetalloxide (I) sind zum Beispiel solche des Typs LaBO * mit B = Cr, Mn, Fe, Co und/oder Ni.
Mischmetalloxide des Typs (I) lassen sich unter anderem durch physikalische (wie PVD) sowie chemische Methoden herstellen, letztere vorwiegend in der Festphase oder Flüssigphase. Als Beispiele genannt seien Fällung, Co-Fällung, Sol-Gel-Verfahren, Imprägnierung, Zündungs- /Verbrennungsmethoden und weiterhin Gasphasenmethoden wie CVD.
Erfindung s g em äß mit e ing e s c hl o s s en i st d er F a ll , da s s unter den herrs c henden Reaktionsbedingungen eine Umwandlung des Mischmetalloxids (I) zu Reaktionsprodukten (II) stattfindet. Der Begriff "Reaktionsprodukte" schließt die unter Reaktionsbedingungen vorliegenden Katalysatorphasen mit ein. Das Gasgemisch, dem der Katalysator während der Reaktion ausgesetzt wird, umfassend Kohlendioxid, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Wasser kann diese vier Komponenten beispielsweise in einem Gehalt von > 80 Gewichts-%, vorzugsweise > 90 Gewichts-% und mehr bevorzugt > 95 Gewichts-% enthalten.
Es wurden gebrauchte Katalysatoren untersucht. Ohne auf eine Theorie festgelegt zu sein wird angenommen, dass eine Umwandlung in phasengetrennte Formen auftreten kann. Ein Beispiel hierfür ist Nickel und/oder Nickeloxid in und/oder auf Lanthanoxid. Zu den denkbaren Struktureinheiten innerhalb eines solchen katalytisch aktiven Systems gehören beispielsweise monometallische Phasen oder Partikel aus A, A', A", B, B' oder B", einfache Metalloxidphasen oder -partikel vom Typ der A-Oxide, A'-Oxide, B-Oxide oder B'-Oxide s owie Metalliegierungsphasen oder -partikel vom Typ AA, BB', AB, AB'. AB, B', A BB', ABB', etc. Genauso denkbar sind Mischoxidphasen vom Typ der AA'-Oxide, BB'-Oxide, in der gesamten Phasenbreite von A, Α', B und B" und/oder verschiedene Carbonatphasen, etc.
Erfindungsgemäß vorgesehen ist eine Reaktionstemperatur von > 700 °C. Vorzugsweise beträgt die Reaktionstemperatur > 850 °C und mehr bevorzugt > 900 °C.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend beschrieben. Sie können beliebig miteinander kombiniert werden, sofern sich aus dem Zusammenhang nicht eindeutig das Gegenteil ergibt. in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird weiterhin während der Reaktion ein Kohlenwasserstoff mit 1 bis 4 ('- Atomen hinzugefügt. Geeignete Kohlenwasserstoffe sind insbesondere Aikane mit 1 bis 4 ('-Atomen, besonders geeignet ist Methan. Auf diese Weise lässt sich zusätzlich zur RWGS-Reaktion auch eine Reformierung durchführen. Wenn die Reaktion in einem axialen Strömungsreaktor durchgeführt wird, ist es mögli ch, dass die Zugabe des Kohlenwasserstoffs an beliebigen Stellen entlang der Längsachse des Reaktors stattfindet. So kann beispielsweise eine Kohlenwasserstoffzugabe am Reaktoreinlass, am Reaktorauslass und/oder an einer Position zwischen Einlass und Auslass erfolgen. Der Kohlenwasserstoff kann beispi elsweise in einem Anteil von > 0,01 Volumen- % bis < 20 Volumen-%, vorzugsweise > 0,1 Volumen-% bis < 10 Volumen-% und besonders bevorzugt > 1 Volumen-% bis < 10 Volumen-%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Reaktionsgase, hinzugefügt werden. Unabhängig davon ist es bevorzugt, dass die Konzentration des Kohlenwasserstoffs nach der Reaktion, insbesondere am Ausgang eines Reaktors, in dem die Reaktion durchgeführt wird, < 20 Volumen-% und vorzugsweise < I 0 Volumen-% beträgt. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfas st das Mischmetalloxid (I) LaN iO * und/oder LaNio,7-o,9Feo, ι -ο ι O3 (insbesondere LaNio,gFeo,203). Vorzugsweise ist das Mischmetalloxid (I) LaNiO ; und/oder LaNio.sFeo^Os.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Reaktion bei einer Temperatur von > 700 °C bis < 1300 °C durchgeführt. Mehr bevorzugte Bereiche sind > 800 °C bis < 1200 °C und > 900 °C bis < 1 100 °C, insbesondere > 850 °C bis < 1050 °C.
I n einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Reaktion bei einem Druck von > 1 bar bis < 200 bar durchgeführt. Vorzugsweise beträgt der Druck > 2 bar bis < 50 bar, mehr bevorzugt > 10 bar bis < 30 bar. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Katalysator auf einem Träger aufgebracht und der Träger ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Oxide, Carbide, Nitride, Phosphide und/oder Boride von Aluminium, Silizium und/oder Zirkonium. Ein Beispiel hierfür ist SiC. Ferner bevorzugt ist Cordierit. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Reaktion in autothermaler Fahrweise betrieben. Diese lässt sich beispielsweise sowohl durch das Hinzufügen von Sauerstoff in das Eduktgas erreichen, als auch dadurch, dass wasserstoffreiche Restgase wie Anodenrestgas, PSA-Restgas, Erdgas (vorzugsweise Methan) und/oder zusätzlicher Wasserstoff in der Gegenwart von CO2 Brenngasquellen sind. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines ein Mischmetalloxid umfassenden Katalysators in der Reaktion von Kohlendioxid und Wasserstoff, wobei Kohlenmonoxid und Wasser gebildet werden, wobei der Katalysator ein Mischmetalloxid (I) umfasst:
(I) A(l-w-x)A' wA"xB(i-y-z)B'yB"z03-delta und/oder
(II) Reaktionsprodukte von (I) in Gegenwart eines Gasgemischs umfassend Kohlendioxid, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Wasser bei einer Temperatur von > 700 °C; wobei gilt:
A, A' und A" sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe: Mg, Ca, Sr, Ba, Li, Na, K, Rb. Cs, Sn, Sc, Y, La. Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb. Dy, Ho, Er, im, Yb, Tl , Lu, Ni, Co, Pb, Bi und/oder Cd; und
B, B' und B" sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe: Cr, Mn, Fe, Bi, Cd, Co, Cu, Ni, Sn. AI. Ga. Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, Pb, l l , Zr, i b. W, Cid, Yb. Mg, Li. Na, K, Ce, Zn, Re, Ru.
Rh, Pd, Os, Ir und/oder Pt; und
0 < w < 0,5; 0 < x < 0,5; 0 < y < 0,5; 0 < z < 0,5 und -1 < delta < 1. Wie auch im Zusammenhang mit dem vorgenannten, erfindungsgemäßen Verfahren bereits erörtert, ist es insbesondere wirtschaftlich vorteilhaft, wenn B, B' und B" unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe: Cr, Mn, Fe, Bi, Cd, Co, Cu, Ni, Sn, A I, Ga. Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, Pb, Hf, Zr, Tb, W, Cid, Yb, Mg, Li, Na, K, Ce und/oder Zn. Demgemäß wird auch in diesem Zusammenhang auf den Einsatz der teuren Edelmetallbestandteile im Katalysator verzichtet. Der Begriff "Reaktionsprodukte" schließt die unter Reaktionsbedingungen vorliegenden Katalysatorphasen mit ein. Hinsichtlich weiterer Erläuterungen und Details wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen. Vorzugsweise umfasst das Mischmetalloxid (I) LaNiO; und/oder
Figure imgf000011_0001
(insbesondere
Figure imgf000011_0002
Vorzugsweise ist das Mischmetalioxid (I) LaNiC und/oder Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Katalysator auf einem Träger aufgebracht ist und der Träger ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Oxide, Carbide, Nitride, Phosphide und/oder Boride von Aluminium, Silizium und/oder Zirkonium. Ein Beispiel hierfür ist SiC. Ferner bevorzugt ist Cordierit.
Weitere Aus fü hrungs formen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in Verbindung mit den nachfolgenden Figuren erläutert, ohne hierauf beschränkt zu sein.
FIG. 1 zeigt schematisch eine expandierte Ansicht eines Reaktors zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
FIG. 2-5 zeigen Umsatzkurven für CO2 in verschiedenen RWGS-Experimenten
Im erfindungsgemäßen Verfahren kann die Reaktion in einem Strömungsreaktor durchgeführt werden, welcher in Strömungsrichtung der Reaktionsgase gesehen eine Mehrzahl von Heizebenen 100, 101, 102, 103 umfasst, welche mittels Heizelementen 1 10, 1 11 , 1 12, 113 elektrisch beheizt werden, wobei die Fleizebenen 100, 101, 102, 100 von den Reaktionsgasen durchströmbar sind, wobei an mindestens einem Heizelement 110, 111, 112, 113 der Katalysator angeordnet ist und dort beheizbar ist und mindestens einmal eine Zwischenebene 200, 201, 202 zwischen zwei Heizebenen 100, 101, 102, 103 angeordnet ist, wobei die Zwischenebene 200, 201, 202 ebenfalls von den Reaktionsgasen durchströmbar ist.
In Strömungsrichtung der Reaktionsgase gesehen weist der Reaktor eine Mehrzahl von (im vorliegenden Fall vier) Fleizebenen 100, 101 , 102, 103 auf, welche mittels entsprechender Heizelemente 110, I I I , 112, 1 13 elektrisch beheizt werden. Die Heizebenen 100, 101 , 102, 103 werden im Betrieb des Reaktors von den Reaktionsgasen durchströmt und die Heizelemente 1 10, 1 1 1 , 1 12, 1 13 werden von den eaktionsgasen kontaktiert.
An mindestens einem Fleizelement 110, 111, 1 12, 1 1 3 ist der Katalysator angeordnet und ist dort beheizbar. Der Katalysator kann direkt oder indirekt mit den Heizelementen 110, 11 1 , 1 12, 1 13 verbunden sein, so dass diese Heizelemente den Katalysatorträger oder einen Träger für den Katalysatorträger darstellen.
In dem Reaktor erfolgt somit die Wärmeversorgung der Reaktion elektrisch und wird nicht von Außen mittels Strahlung durch die Wandungen des Reaktors eingebracht, sondern direkt in das Innere des Reaktionsraumes. Es wird eine direkte elektrische Beheizung des Katalysators realisiert.
Für die Heizelemente 110, 1 1 1 , 1 12, 1 13 kommen bevorzugt Heizleiterlegierungen wie FeCrAl- Legierungen zum Einsatz. Alternativ zu metallischen Werkstoffen können zudem auch elektrisch leitfähige Si-basierte Materialien, besonders bevorzugt SiC, und/oder kohlenstoffbasierte Materialien eingesetzt werden. Im erfindungsgemäßen einzusetzenden Reaktor ist weiterhin mindestens einmal eine zum Beispiel keramische Zwischenebene 200, 201 , 202 (die vorzugsweise von einem keramischen oder metallischen Traggerüst -ebene getragen wird) zwischen zwei Heizebenen 100, 101 , 102, 103 angeordnet, wobei die Zwischenebene(n) 200, 201 , 202 beziehungsweise der Inhalt 210, 21 1 , 212 einer Zwischenebene 200, 201 , 202 ebenfalls im Betrieb des Reaktors vom den Reaktionsgasen durchströmt werden. Dieses hat den Effekt einer Flomogenisierung der Fluidströmung Es ist auch möglich, dass zusätzlicher Katalysator in einer oder mehreren Zwischenebenen 200, 201 , 202 oder weiteren Isolationselementen im Reaktor vorhanden ist. Dann kann eine adiabatische Reaktion ablaufen.
Bei der Verwendung von FeCrAl-Heizleitern kann die Tatsache ausgenutzt werden, dass das Material durch Temperatureinwirkung in Gegenwart von Luft/Sauerstoff eine AhC -Schutzschicht ausbildet. Diese Passivierungsschicht kann als Grundlage eines Washcoats dienen, welcher als katalytisch aktive Beschichtung fungiert. Damit ist die direkte W iderstandsbeheizung des Katalysators beziehungsweise die Wärmeversorgung der Reaktion direkt über die katalytische Struktur realisiert. Es ist auch, bei Verwendung anderer Heizleiter, die Bildung anderer Schutzschichten wie beispielsweise von Si-O-C-Systemen möglich.
Die Druckaufnahme im Reaktor kann über einen druckfesten Stah lmantel erfolgen. Unter Verwendung geeigneter keramischer I o lati on smateri a l i en kann erreicht werden, dass der drucktragende Stahl Temperaturen von weniger als 200 °C und, wo notwendig, auch weniger als 60 °C ausgesetzt wird. Durch entsprechende Vorrichtungen kann dafür gesorgt werden, dass bei Taupunktsunterschreitung keine Auskondensation von Wasser am Stahlmantel erfolgt.
Die elektrischen Anschlüsse sind in FIG. 1 nur sehr schematisch dargestellt. Sie können im kalten Bereich des Reaktors innerhalb einer Isolierung zu den Enden des Reaktors geführt oder seitlich aus den Heizelementen 1 10, 1 1 1 , 1 12, 1 13 durchgeführt werden, so dass die eigentlichen elektrischen Anschlüsse im kalten Bereich des Reaktors vorgesehen sein können. Die elektrische Beheizung erfolgt mit Gleichstrom oder Wechselstrom.
Der Einsatz der elektrisch beheizten Elemente im Eintrittsbereich des Reaktors wirkt sich auch positiv im Hinblick auf das Kaltstart- und Anfahrverhalten aus, insbesondere in Hinblick auf das rasche Aufheizen auf Reaktionstemperatur und die bessere Kontrollierbarkeit.
Der Katalysator kann prinzipiell als lose Schüttung, als Washcoat oder auch als monolithischer Formkörper auf den Heizelementen 1 10, 1 1 1 , 1 12, 1 13 vorliegen. Es ist jedoch bevorzugt, dass der Katalysator direkt oder indirekt mit den Heizelementen 1 10, 1 1 1 , 1 12, 1 13 verbunden ist, so dass diese Heizelemente den Katalysatorträger oder einen Träger für den Katalysatorträger darstellen. Es ist auch möglich, dass zusätzlicher Katalysator in einer oder mehreren Zwischenebenen 200, 201 , 202 oder weiteren Isolationselementen im Reaktor vorhanden ist.
Durch geeignete Formgebung kann eine Oberflächenvergrößerung erreicht werden. Es ist möglich, dass in den Heizebenen 100, 101 , 102, 103 Heizelemente 1 10, I I I . 1 12, 1 1 3 angeordnet sind, welche spiralförmig, mäanderförmig, gitterförmig und/oder netzförmig aufgebaut sind. Die (beispielsweise keramischen) Zwischenebenen 200, 201 , 202 respektive ihr Inhalt 210, 2 1 1 ,
212 umfassen ein gegenüber den Reaktionsbedingungen beständiges Material, beispielsweise einen keramischen Schaum. Sie dienen zur mechanischen Abstützung der Heizebenen 100, 101 , 102, 103 sowie zur Durchmischung und Verteilung des Gasstroms. Gleichzeitig ist so eine elektrische Isolierung zwischen zwei Heizebenen möglich. Es ist bevorzugt, dass das Material des Inhalts 210, 2 1 1 , 2 1 2 einer Zwischenebene 200, 201 , 202 Oxide, Carbide, Nitride, Phosphide und/oder Boride von Aluminium, Silizium und/oder Zirkonium umfasst. Ein Beispiel hierfür ist SiC. Ferner bevorzugt ist Cordierit.
Die Zwischenebene 200, 201 , 202 kann beispielsweise eine lose Schüttung von Festkörpern umfassen. Diese Festkörper selbst können porös oder massiv sein, so dass das Fluid durch Lücken zwischen den Festkörpern hin durchströmt. Es ist bevorzugt, dass das Material der Festkörper Oxide, Carbide, Nitride, Phosphide und/oder Boride von Aluminium, Silizium und/oder Zirkonium umfasst. Ein Beispiel hierfür ist SiC. Ferner bevorzugt ist Cordierit.
Es ist ebenfalls möglich, dass die Zwischenebene 200, 201 , 202 einen einstückigen porösen Festkörper umfasst. In diesem Fall durchströmt das Fluid die Zwischenebene über die Poren des Festkörpers. Bevorzugt sind Wabenmonolithe, wie sie beispielsweise bei der Abgasreinigung von Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Hinsichtlich der baulichen Abmessungen ist bevorzugt, dass die durchschnittliche Länge einer Heizebene 100, 101, 102, 103 in Strömungsrichtung des Fluids gesehen und die durchschnittliche Länge einer Zwischenebene 200, 201, 202 in Strömungsrichtung des Fluids gesehen in einem Verhältnis von > 0,01 : 1 bis < 100:1 zueinander stehen. Noch vorteilhafter sind Verhältnisse von > 0,1:1 bis < 10:1 oder 0,5:1 bis < 5:1.
Es ist weiterhin möglich, dass an zumindest einem Heizelement 110, 111, 112, 113 eine von den übrigen Heizelementen 110, III, 112, 113 verschiedene Menge und/oder Art des Katalysators vorliegt. Vorzugsweise sind die Heizelemente 110, III.112, 113 so eingerichtet, dass sie jeweils unabhängig voneinander elektrisch beheizt werden können. Entsprechend können im erfindungsgemäßen Verfahren die einzelnen Heizelemente 110, 111, 112, 113 mit einer unterschiedlichen Heizleistung betrieben werden.
Im Endergebnis können die einzelnen Heizebenen einzeln gesteuert und geregelt werden. Im Reaktoreintrittsbereich kann nach Bedarf auch auf einen Katalysator in den Heizebenen verzichtet werden, so dass ausschließlich die Aufheizung und keine Reaktion im Eintrittsbereich erfolgt. Dieses ist insbesondere im Hinblick auf das Anfahren des Reaktors von Vorteil. Wenn sich die einzelnen Heizelemente 110, 111, 112, 113 in Leistungseintrag, Katalysatorbeladung und/oder Katalysatorart unterscheiden, kann ein für die jeweilige Reaktion angepasstes Temperaturprofil erreicht werden. In Hinblick auf die Anwendung für endotherme Gleichgewichtsreaktionen ist dieses beispielsweise ein Temperaturprofil, das die höchsten Temperaturen und damit den höchsten Umsatz am Reaktoraustritt erreicht.
Der Reaktor kann modular aufgebaut sein. Ein Modul kann beispielsweise eine Heizebene, eine Zwischenebene, die elektrische Kon taktierung und die entsprechenden weiteren Isolationsmaterialien und Wärmedämmstoffe enthalten.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele noch näher beschrieben, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein.
Synthese der Katalysatoren:
Beispiel 1 : LaNiO ; (Co-Fällung
Na2C03 (2,65 g) wurden in 1 ml Wasser vorgelegt. La(N03)3.6H20 (4,33 g) und Ni(N03)2.6H20
(2,91 g) wurden in 40 m I Wasser gelöst. Tropfenweise wurde die Metallsalziösung der Natriumcarbonatlösung unter schnellem Rühren hinzugegeben. Nach Zugabe der letzten Tropfen Metalisalzlösung wurde die Mischung während 1 h unter langsamem Rühren altem gelassen. Der Niederschlag wurde anschließend abfiltriert und mehrfach auf der Nutsche mit frischem Wasser gewaschen. Im Vakuumtrockenschrank über Nacht bei 90 °C wurde sie dann getrocknet. Danach wurde der Katalysator gemörsert und bei 600 °C während 2 h im Luftstrom im in einem Muffelo fen kalziniert. Anschließend wurde die Probe bei 1 000 ° C während 5 h unter Luftatmosphäre kalziniert.
Beispiel 2: LaN iO ; (Citratmethode)
In 100 ml Wasser wurden La(N03)3.6H20 (4,33 g), Ni(N03)2.6H20 (2,91 g) und Zitronensäure (wasserfrei, 3,84 g) gelöst. Die Lösung wurde bei 90 °C für mindestens 1 h im Trockenschank evaporiert, bis ein Großteil des Wassers entfernt wurde. Die hochviskose Lösung wurde während 15 h bei 1 10 °C dann beheizt. Dabei entwickelte sich etwas Stickstoffoxidgas. Das feste Produkt wurde nach dem Abkühlen gemörsert. Der Feststoff wurde wieder auf 1 10 °C beheizt und dann wurde die Temperatur sehr langsam (über ca. 8 Stunden) von 1 10 °C auf 180 °C erhöht. Dabei entwickelte sich viel Stickstoffoxidgas. Das Produkt wurde nach dem Abkühlen erneut gemörsert und dann bei 300 °C für 1 h im Ofen kalziniert. Das Produkt wurde nach dem Abkühlen wieder einmal gemörsert und dann im Muffelofen bei 600 °C für 5h kalziniert. Anschließend wurde die Probe bei 1000 °C während 5 h unter Luftatmosphäre kalziniert.
Beispiel 3 : Substitution (LaNio.8Feo.2Q3)
Na2C03 (2,65 g) wurden in 3 1 ml Wasser vorgelegt. La(N0 ) .6H20 (4,33 g), Ni (N03)2.6H20 (2,33 g) und Fe(N03)3.9H20 (0,81 g) wurden in 40 ml Wasser gelöst. Tropfenweise wurde die Metallsalziösung der Natriumcarbonatlösung unter schnellem Rühren hinzugegeben. Nach Zugabe der letzten Tropfen Metallsalziösung wurde die Mischung während 1 h unter langsamem Rühren altern lassen. Der Niederschlag wurde anschließend abfiltriert und mehrfach auf der Nutsche mit frischem Wasser gewaschen. Im Vakuumtrockenschrank über Nacht bei 90 °C wurde sie dann getrocknet. Danach wurde der Katalysator gemörsert und bei 600 °C während 2 h im Muffelofen kalziniert. Anschließend wurde die Probe bei 1000 °C während 5 h unter Luftatmosphäre kalziniert.
RWGS-Reaktionen: Allgemeine Versuchsbeschreibung: im Rahmen der katalytischen Tests wurden zunächst jeweils von 0,5 bis 4 mg des Katalysators mit 210 mg eines SiC-Verdünnungsmaterials jeweils in der Siebgrößenfraktion von 100-200 μηι beziehungsweise 125-185 lim miteinander intensiv vermischt.
Die katalytischen Untersuchungen wurden in einem U-rohrförmigen Festbettreaktor aus Quarzglas bei einer Ofentemperatur von 850 °C (mit einer Raumgeschwindigkeit von 1 00000 l /'h) durchgeführt. Hierbei wurde die Probe im Stickstofffluss (250 Nml/min) auf die Zieltemperatur von 850 °C aufgeheizt. Anschließend wurden die Reaktivgase Wasserstoff (75 Nml/min) und Kohlensto fdioxid (50 Nml/min) unter gleichzeitiger R edukt i on des Stickstoffflusses auf 125 Nml/m in. im Bypass zudosiert. Nach einer Mischdauer von 30 min wurden diese auf das sich im Reaktor befindliche Katalysatorsystem beaufschlagt. Nach einer Reaktionsdauer von bis zu 65 h wurde der Katalysator unter Inertbedingungen auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Analyse des Produktgasgemisches erfolgte mithilfe eines Multikanalinfrarotanalysators.
Beispiel 4: Vergleich zwischen einem Perowskiten und einem kommerziell erhältlichen Ni- Katalysator Die nachfolgende Tabelle fasst die Ergebnisse des Kataivsatorvergleiches in der R WGS-Reaktion für den Katalysator aus Beispiel 1 und einen kommerziellen Nickel-Katalysator zusammen. Die Angabe "X7,5h(C02) [%]" bedeutet den Umsatz an CO2, hier nach 7,5 Stunden, ausgedrückt in Mol- Prozent. Die Angabe "reff;7,5h(C02)" gibt die entsprechende mittlere Reaktionsgeschwindigkeit von CO2 an und "X65h(C02)/X3h(C02) " ist der Quotient aus dem CC -Umsatz nach 65 Stunden und nach 3 Stunden.
Katalysator X7.5h(C02) |% | 7.5h(C02) X65h(C02)/X3h(C02)
| mol/s/g* 10 "l
Ni-Kat 59,3 5371 0,95
LaNiO 48,6 4510 0,98
Die Ergebnisse dieser Experimente si nd weiterhin in FIG. 2 dargestellt, we lc he die CO2- Umsatzkurven über der Reaktionsdauer für den LaNiC -Katalysator (Kurve "LaNiCV') sowie dem Reformi erungs kata lysator mit vergleichbarer Ni- Beladung (Kurve "Ni") dargestellt. Die thermodynamische Limitierung bei ca. 60% Umsatz ist durch "TD" gekennzeichnet. Man beobachtete trotz der geringeren katalytischen Aktivität des Perowskitkatalysators eine höhere Stabilität im Reaktionszeitraum im Vergleich zum Ni-Reformierungskatalysator. Beispiel 5: Verschiedene Metalle in der Perowskit-Grundstruktur
Die nachfolgende Tabelle fasst die Ergebnisse des Katalysatorvergleiches in der RWGS-Reaktion zusammen. Die Angabe "Xv.shiCC ) [%]" bedeutet den Umsatz an CO2, hier nach 7,5 Stunden, ausgedrückt in Mol-Prozent. Die Angabe "reff;7,5h(C02)" gibt die entsprechende mittlere Reaktionsgeschwindigkeit von CO2 an und "X7,5h(C02)/X3h(C02) " ist der Quotient aus dem CO2- Umsatz nach 7,5 Stunden und nach 3 Stunden.
Katalysator LalYIO« X7,5h (CO2) X7,5h(C02)/X3h(C02)
M = l% ]
Figure imgf000017_0001
Cr 6,5 590 0,86
Mn 19.1 1 730 0.99
Fe 23,6 21 6 0,96
Co 38,7 3507 0,89
Ni 49,9 45 1 1 ,04
Die Ergebnisse dieser Experimente sind weiterhin in FIG. 3 dargestellt, welche die CO:- Umsatzkurven über der Reaktionsdauer für die verschiedenen Katalysatoren dargestellt. Die thermodynamische Limitierung bei ca. 60% Umsatz ist durch "TD" gekennzeichnet. Dabei nimmt die katalytische Aktivität bezogen auf die Berechnung der pauschalen Reaktionsrate in der Reihenfolge Chrom < Mangan < Eisen < Cobalt < Nickel, entsprechend ihrer steigenden Ordnungszahlen, zu. Gleichzeitig erhöht sich die Stabilität der Systeme in der Reihenfolge Chrom < Cobalt < Eisen < Mangan< Nickel. Beispiel 6: Vergleich verschiedener Syntheseniethoden bei dem LaN iO --Katalysator
Die nachfolgende Tabelle fasst die Ergebnisse des Katalysatorvergleiches in der RWGS-Reaktion für die Katalysatoren aus den Beispielen 1 und 2 zusammen. Die Angabe "X7,5h(C02) [%]" bedeutet den Umsatz an CO2, hier nach 7,5 Stunden, ausgedrückt in Mol-Prozent. Die Angabe "reff;7,5h(C02)" gibt die entsprechende mittlere Reaktionsgeschwindigkeit von O; an und "X7,5h(C02)/X3h(C02) " ist der Quotient aus dem CO:-Umsatz nach 7,5 Stunden und nach 3 Stunden. Synthesemethode für X7,5h (C02) I*iff. 7.5h(CC)2 ) X7,5h(C02)/X3h(C02)
LaMOs l% ] |mol/s/g* 10" l
Co-Fällung 49,9 4519 1 ,04
Citrat-Methode 3203 0,96
Die Ergebnisse dieser Experimente sind weiterhin in FIG. 4 dargestellt, welche die CO2- Umsatzkurven über der Reaktionsdauer für diese Katalysatoren dargestellt. Die thermodynamische Limitierung bei ca. 60% Umsatz ist durch "TD" gekennzeichnet, die Kurve für die Co-Fäilung durch "1 ", die Kurve für die Citrat-Methode durch "2". Dabei ist sowohl die katalytische Aktivität als auch die Stabilität des mithilfe der über die Co-Fällung hergestellten Systems höher als die des Katalysators, der mit Hilfe der Citrat-Methode hergestellt wurde.
Beispiel 7: Vergleich der Katalysatoren LaNiC und LaNio.gFeo.2Q3
Die nachfolgende Tabelle fasst die Ergebnisse des Katalysatorvergleich.es in der RWGS-Reaktion für die Katalysatoren aus den Beispielen 1 und 3 zusammen. Die Angabe "X7,5h(C02) [%]" bedeutet den Umsatz an CO2, hier nach 7,5 Stunden, ausgedrückt in Mol-Prozent. Die Angabe "rcfr;7,5h(C02)" gibt die entsprechende mittlere Reaktionsgeschwindigkeit von CO2 an und "X7,5h(C02) X3h(C02) " ist der Quotient aus dem CC -Umsatz nach 7,5 Stunden und nach 3 Stunden.
Figure imgf000018_0001
Die Ergebnisse dieser Experimente sind weiterhin in FIG. 5 dargestellt, welche die CO2- Umsatzkurven über der Reaktionsdauer für diese Katalysatoren dargestellt. Die thermodynamische Limitierung bei ca. 60% Umsatz ist durch "TD" gekennzeichnet. Dabei ist sowohl die katalytische Aktivität als auch die Stabilität der ternären LaNiC -Phase höher als die des mit Eisen dotierten Systems.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Reduktion von Kohlendioxid, umfassend den Schritt der Reaktion von Kohlendioxid und Wasserstoff i n Gegenwart eines Katalysators unter Bildung von Kohlenmonoxid und Wasser, dad urch gekennzeichnet, dass die Reaktion bei einer Temperatur von > 700 °C durchgeführt wird und der Katalysator ein M ischmetal lox id (I) umfasst:
A( l-w-x)A' wA"xB(l-y-z)B'yB"z03-delta (I) und/oder
Reaktionsprodukte von (I) in Gegenwart eines Gasgemischs umfassend Kohl endioxid, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Wasser bei einer Temperatur von > 700 °C; wobei gilt:
A, A' und A" sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe: Mg, Ca, Sr, Ba, Li, Na, K, Rb, Cs, Sn, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Tl , Lu, Ni, Co, Pb, Bi und/oder Cd; und
B, B' und B" sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe: Cr, Mn, Fe, Bi, Cd, Co, Cu, Ni, Sn, AI, Ga, Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, Pb, Hf, Zr, Tb, W, Gd, Yb. Mg, Li, Na, K,
Ce, Zn, Re, Ru, Rh, Pd, Os, Ir und/Oder Pt; und
0 < w < 0,5; 0 < x < 0,5; 0 < y < 0,5; 0 < z < 0,5 und -1 < delta < 1.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei B, B" und B" unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe Cr, Mn, Fe, Bi. Cd. Co, Cu, Ni, Sn, AI , Ga, Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, Pb, 1 1 f. Zr, Tb, W, Gd, Yb, Mg, Li, Na, K, Ce und/oder Zn.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei weiterhin während der Reaktion ein Kohlenwasserstoff mit 1 bis 4 C-Atomen hinzugefügt wird.
4. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das Mischmetalloxid (I) LaNiO ; und/oder LaNio,?- o,9Feo, i-o,303 umfasst.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Reaktion bei einem Druck von > 1 bar bis < 200 bar durchgeführt wird.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Katalysator auf einem Träger aufgebracht ist und der Träger ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Oxide, Carbide, Nitride, Phosphide und/oder Boride von Aluminium, Silizium und/oder Zirkonium.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Reaktion in autothermaler Fahrweise betrieben wird.
8. Verfahren gemäß Anspruch gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Reaktion in einem Strömungsreaktor durchgeführt werden, welcher in Strömungsrichtung der Reaktionsgase gesehen eine Mehrzahl von Heizebenen (100, 101 , 102, 103) umfasst, weiche mittels Heizelementen (1 10, 1 1 1 , 1 12, 1 13) elektrisch beheizt werden, wobei die Heizebenen (100, 101 , 102, 100) von den Reaktionsgasen durchströmbar sind, wobei an mindestens einem Heizelement (1 10, I I I , 1 12, 1 13) der Katalysator angeordnet ist und dort beheizbar ist und mindestens einmal eine Zwischenebene (200, 201 , 202) zwischen zwei Heizebenen (100, 101 , 102, 103) angeordnet ist, wobei die Zwischenebene (200, 201 , 202) ebenfalls von den Reaktionsgasen durchströmbar ist.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei in den Heizebenen (100, 101 , 102, 103) Heizelemente (1 10, 1 1 1 , 112, 113) angeordnet sind, welche spiralförmig, mäanderfönnig, gitterförmig und/oder netzförmig aufgebaut sind.
10. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei das Material des Inhalts (210, 21 1 , 212) einer Zwischenebene (200, 201 , 202) Oxide, Carbide, Nitride, Phosphide und/oder Boride von Aluminium, Silizium und/oder Zirkonium umfasst.
1 1. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei an zumindest einem Heizelement (1 10, 1 1 1 , 1 12, 1 13) eine von den übrigen Heizelementen (1 10, I I I , 1 12, 1 13) verschiedene Menge und/oder Art des Katalysators vorliegt.
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , wobei die einzelnen Heizelemente (1 10, 1 1 1 , 112, 1 13) mit einer unterschiedlichen Heizleistung betrieben werden.
13. Verwendung eines ein Mischmetalloxid umfassenden Katalysators in der Reaktion von Kohlendioxid und Wasserstoff, wobei Kohlenmonoxid und Wasser gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator ein Mischmetalloxid (I) umfasst:
A(l-w-x)A' wA"xB(I-y-z)B'yB"z03-delta (I) und/oder
Reaktionsprodukte von (I) in Gegenwart eines Gasgemischs umfassend Kohlendioxid, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Wasser bei einer Temperatur von > 700 °C; wobei gilt: A, A' und A" sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe: Mg, Ca, Sr, Ba, Li, Na, K, Rb, Cs, Sn, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Hu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, "I m, Yb. TS , Lu,
Ni, Co, Pb, Bi und/oder Cd; und
B, B' und B" sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe: Cr, Mn, Fe, Bi, Cd, Co, Cu, Ni, Sn, AI, Ga, Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, Pb. I I f. Zr, Tb, W, Gd, Yb, Mg, Li, Na, K,
Ce, Zn, Re, Ru, Rh, Pd, Os, Ir und/Oder Pt; und
0 < w < 0,5; 0 < x < 0,5; 0 < y < 0,5; 0 < z < 0,5 und - 1 < delta < 1 .
Verwendung gemäß Anspruch 13, wobei das Mischmetalloxid (I) LaN iO ; und/oder LaNio,?- o,9Feo,i-o,303 umfasst. 15. Verwendung gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei der Katalysator auf einem Träger aufgebracht ist und der Träger ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Oxide, Carbide, Nitride, Phosphide und/oder Boride von Aluminium, Silizium und/oder Zirkonium.
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