Methanol-Dampfreformierung zur Darstellung von hochreinem Wasserstoff

Eine auf Wasserstoff basierende Energieinfrastruktur stellt eine ideale Lösung unserer energiebezogenen Umweltprobleme dar. Methanol besitzt hohes Potential als Wasserstoffspeichermolekül, da – neben geringen Kosten – gute Verfügbarkeit, hohe Energiedichte, leichte sowie ungefährliche Handhabung und Lagerung sichergestellt sind. Die Freisetzung des Wasserstoffs für die Verwendung in Brennstoffzellen erfolgt bevorzugt durch die heterogen katalysierte Dampfreformierung von Methanol:

CH₃OH(g) + H₂O(g)  → 3 H₂ + CO₂              H°_298K = 49,4 kJmol^-1

Üblicherweise werden Cu-basierte Katalysatoren eingesetzt, an denen neben CO₂ auch CO in Konzentrationen von mindestens 500 bis 2000 ppm gebildet wird. CO führt jedoch bereits unter 20 ppm zu einem signifikanten Leistungsabfall der Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC). Zudem desaktivieren Cu-Katalysatoren ab 300 °C aufgrund von Sintervorgängen. In alternativen Systemen wie z. B. Pd/ZnO entsteht durch die (partielle) Umsetzung des Pd unter reduzierenden Bedingungen zu intermetallischen Verbindungen (z. B. ZnPd, ZnPd₂ oder Zn₃Pd₂) ein sehr komplexes System.

Um ein besseres Verständnis der Vorgänge zu erlangen, untersuchen wir ungeträgerte, gut charakterisierte intermetallische Verbindungen auf ihre katalytischen Eigenschaften bei der Dampfreformierung von Methanol. Dazu wurden bislang die Verbindungen ZnPd und – als günstigere Alternative – ZnNi bezüglich ihres Verhaltens charakterisiert. ZnPd zeigt dabei eine extrem starke Abhängigkeit der Selektivität von der Zusammensetzung (vgl. Abb. 1). Durch in situ XPS Untersuchungen ließ sich dieses Verhalten auf die Änderung der Oxidationseigenschaften des ZnPd mit der Zusammensetzung zurückführen. Damit ließ sich zum ersten Mal zeigen, dass für die exzellenten katalytischen Eigenschaften eine Kombination aus intermetallischer Oberfläche und ZnO notwendig ist.^1,2

1. M. Friedrich, D. Teschner, A. Knop-Gericke, M. Armbrüster, J. Catal. 285, 2012, 41. doi:10.1016/j.jcat.2011.09.013
2. M. Friedrich, D. Teschner, A. Knop-Gericke, M. Armbrüster, J. Phys. Chem. C 116, 2012, 14930. doi:10.1021/jp303174h