Charakterisierung und Analyse von Katalysatormaterial

Schätzungen zufolge kommen bei 90 % aller gewerblich produzierten chemischen Produkte zu einem bestimmten Zeitpunkt während ihrer Herstellung Katalysatoren zum Einsatz. Die Nachfrage nach Katalysatoren wird auf etwa 30 Milliarden US-Dollar geschätzt und wird voraussichtlich im nächsten Jahrzehnt wachsen, da die Nachfrage nach Chemikalien, Polymeren und Petrochemikalien steigt, was mit der wachsenden Notwendigkeit einhergeht, Prozesskosten, Energieverbrauch und Emissionen zu reduzieren.

Doch nicht nur die chemische Produktion wird die Nachfrage nach besseren Katalysatoren vorantreiben. Auch die Umweltanforderungen treiben den Bedarf nicht nur an sauberer Energie, sondern auch an der Nutzung von Abfallmaterialien wie Polymeren und CO2 voran, was wiederum die Entwicklung neuer Prozesse und Katalysatormaterialien erfordert. Beispiele sind u. a.:

Die kostengünstige, großvolumige Wasserstoffproduktion für den Einsatz in Brennstoffzellen und Verbrennungsmotoren
Die Umwandlung von kommunalem Abfall und Kunststoffen in Biokraftstoffe und chemische Rohstoffe
Der Einsatz von CO2 bei der Produktion neuer Chemikalien und Polymere

Diese Anforderungen kommen zu den bereits bestehenden Anforderungen hinzu, wie z. B. die Optimierung und Produktion von Katalysatoren für die Automobilindustrie und effizienteren Katalysatoren für das Fluid Catalytic Cracking (FCC) für die petrochemische Industrie.

Warum ist die Katalysatorcharakterisierung wichtig?

Die Charakterisierung ist sowohl für den Entwurf als auch für die Entwicklung neuartiger Katalysatoren wichtig, aber auch für die Prozessentwicklung und -optimierung, einschließlich Upscaling und Fehlerbehebung. Die meisten heterogenen Katalysatoren bestehen beispielsweise aus einem katalytisch aktiven Metall oder Metalloxid auf der Oberfläche eines Metalloxidträgers. Daher ist es wichtig, die Struktur- und Oberflächenchemie zu optimieren, um die entsprechende Selektivität und Reaktivität für den betreffenden Prozess zu gewährleisten. Andere Eigenschaften wie Partikelgröße, Porosität und Oberfläche sind ebenfalls wichtig, um beispielsweise Diffusion und Adsorption zu optimieren.

Wie können die Lösungen von Malvern Panalytical dabei helfen?

Malvern Panalytical bietet eine Reihe ergänzender Lösungen für die physikalische Analyse, strukturelle Analyse und Elementaranalyse von Katalysatormaterialien, einschließlich Partikelgröße, Partikelform, Zetapotenzial, elementare Zusammensetzung und Kristallstruktur:

Röntgenfluoreszenzanalyse

Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) wird aufgrund ihrer hohen Präzision und Reproduzierbarkeit häufig zur Analyse der elementaren Zusammensetzung einer Reihe von Katalysatoren verwendet. Beispiele sind Pt, Pd und Rh in Katalysatoren; Al, Ni, V, Ti, Fe und S in FCC-Prozessen (Fluid Catalytic Cracking) und Si/Al-Verhältnisse in Zeolithen. Die RFA kann auch verwendet werden, um das Vorhandensein und die Konzentration von Katalysatorgiften zu erkennen, die zu einer chemischen Deaktivierung führen, einschließlich Cl, S, Sn und Pb. Die RFA kann im Vergleich zu alternativen Techniken viel Zeit und Geld sparen, und Malvern Panalytical bietet drei Hauptlösungen an: EDRFA-Tischsysteme wie Epsilon 4, WDRFA-Standsysteme wie Zetium und Onlinelösungen wie Epsilon XFlow. Malvern Panalytical bietet im Claisse-Portfolio außerdem verschiedene Probenvorbereitungslösungen für RFA, ICP und AA an.

Röntgendiffraktion

Die Röntgendiffraktion (XRD) ist ein grundlegendes Verfahren für den Entwurf, die Entwicklung und Herstellung von Katalysatoren, da sie Informationen über die Gesamtstruktur und -zusammensetzung von festen Katalysatormaterialien wie Metalloxiden und Zeolithen liefern kann. XRD-Systeme werden routinemäßig zur Überwachung der Produktion von FCC-Katalysatoren (Fluid Catalytic Cracking) verwendet, insbesondere zur Analyse der Elementarzellengröße und der Kristallinität. Die XRD kann auch zur Bestimmung der Kristallitgröße verwendet werden, entweder durch die Analyse der Peakbreiten aus einer typischen Diffraktionsmessung oder durch die Verwendung der Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS). Nicht kristalline Materialien können auch anhand der Paarverteilungsanalyse (PDF) untersucht werden. Malvern Panalytical bietet zwei XRD-Hauptlösungen an: das Aeris -Tisch-Diffraktometer für Routineanalysen und das Empyrean -Mehrzweck-Diffraktometer für detailliertere Strukturanalysen.

Laserbeugung

Die Laserbeugung ist ein weit verbreitetes Verfahren zur Partikelgrößenmessung für Materialien mit einer Größe zwischen Hunderten von Nanometern und mehreren Millimetern, das auf Nass- oder Trockendispersionen im Labor oder in einer Prozesslinie angewendet werden kann. Bei Katalysatoranwendungen können die mit der Laserbeugung generierten Partikelgrößendaten zur Berechnung einer spezifischen Oberfläche (SSA) verwendet werden, indem die gemessene Volumenverteilung in eine Oberflächenverteilung umgewandelt wird. Drucktitrationen können auch dazu beitragen, das Risiko von Verschleiß zu verstehen, ein wichtiger Faktor für die Vorhersage der Lebensdauer von Katalysatoren in Wirbelschichtreaktoren. Der Mastersizer 3000 von Malvern Panalytical ist das am häufigsten verwendete Partikelgrößenmessgerät für die Katalysatoranalyse in Laborumgebungen, während Insitec für die Onlineanalyse in Produktionsumgebungen verwendet werden kann.

Weitere Technologien

Zusätzlich zu den oben genannten Techniken bietet Malvern Panalytical verschiedene andere Lösungen für die Katalysatoranalyse an, darunter den Zetasizer, der zur Bewertung der Größe und Stabilität von Partikeldispersionen verwendet wird, und das Morphologi 4, das die Bildanalyse zur Bestimmung von Partikelform und Größenverteilung nutzt. Das Morphologi 4 ist auch mit einem integrierten Raman-Spektrometer erhältlich, das partikelspezifische chemische Informationen liefert.