Stickstoffdotierte polymerabgeleitete Kohlenstoffkatalysatoren in der oxidativen Dehydrierung von Ethanol

Kohlenstoffmaterialien können in verschiedenen Reaktionen, wie zum Beispiel der oxidativen Dehydrierung, als aktive Komponente eingesetzt werden. Es ist daher von Interesse Kohlenstoffmaterialien mit angepassten Eigenschaften hinsichtlich der Textur, der Morphologie, dem Dotierungsgehalt und der Oberflächenfunktionalisierung zu synthetisieren, um ein geeignetes Katalysatormaterial für die ODH von Ethanol zu erzielen. Dieses besitzt eine graphitische Grundstruktur, um die Oxidationsstabilität bei den entsprechenden Reaktionsbedingungen gewährleisten zu können. Es besitzt weiterhin eine hohe spezifische Oberfläche, damit eine entsprechend hohe Anzahl aktiver Zentren vorhanden sein kann, was wiederum die Aktivität bedingt. Weiterhin sollte das Material vorwiegend mesoporös sein. Die Oberfläche sollte anoxidiert vorliegen, um Chinone als aktives Zentrum bereit zu stellen. Zusätzlich kann eine Dotierung mit Stickstoff die Aktivität in der ODH weiter steigern. Zunächst sollen die Eigenschaften eines erprobten polymerabgeleiteten Kohlenstoffmaterials auf Aktivkohlen übertragen werden, da die Verwendung von kommerziellen Materialien gegenüber der vollständigen Syntheseroute dieses Kohlenstoffmaterials Vorteile bieten würde. Es stellt sich daher die Forschungsfrage, ob die, für die ODH von Ethanol, vorteilhaften Strukturmerkmale, des erprobten Materials, auch ausgehend von einer Aktivkohle zugänglich sind und sich in dieser kombinieren lassen. Die Anpassung der Eigenschaften würde somit erst beim Kohlenstoffmaterial und nicht bei der Polymersynthese beginnen. Diese veränderte Aktivkohle soll dann als Katalysatormaterial in der oxidativen Dehydrierung von Ethanol eingesetzt werden. Ein weiteres Ziel der Arbeit besteht darin, das erprobte Kohlenstoffmaterial von HEROLD et al. mit Hilfe verschiedener Methoden der Stickstoffdotierung weiterzuentwickeln. Dafür soll die Syntheseroute des polymerabgeleiteten Kohlenstoffmaterials (PDC) angepasst werden, so dass eine stabile Stickstoffdotierung resultiert, welche anschließend die Aktivität des Kohlenstoffkatalysatormaterials in der oxidativen Dehydrierung von Ethanol verbessern könnte. Der Dotierungsansatz erfolgt somit auf der Basis des PDC1500 und entlang dessen Syntheseroute. Das Ziel ist ein stickstoffdotiertes polymerabgeleitetes Kohlenstoffmaterial (PDNC). Weiterhin sollen stickstoffhaltige Polymere synthetisiert werden und als Ausgangsmaterial für dotierte Kohlenstoffmaterialien untersucht werden. Dieser Dotierungsansatz beginnt somit bei Monomeren und losgelöst vom erprobten undotierten Material PDC1500, um größeren Fokus auf die Stickstoffdotierung zu legen. Aus diesen stickstoffhaltigen Polymeren sollen anschließend polymerabgeleitete dotierte Kohlenstoffmaterialien (PDNC) hergestellt werden. Die pyrolisierten Materialien werden hinsichtlich des erzielten Stickstoffgehalts untersucht und mit den Ergebnissen der Dotierung des PDC-Materials verglichen. Dieser Dotierungsansatz legt damit weniger Fokus auf die bereits erprobten vorteilhaften Strukturmerkmale (BET-Oberfläche, Mesoporosität, Kristallinität). Bei diesen Kohlenstoffmaterialien sollen dennoch eben diese Kriterien untersucht werden, wobei zunächst ein temperaturstabiles Kohlenstoffmaterial erzeugt werden muss. Dafür wird ein Graphitisierungskatalysator verwendet, um ein Hybridmaterial zu erzielen. In Anlehnung an den PDC1500 sollen etwaige temperaturlabile Anteile durch die anschließende selektive Oxidation entfernt werden, wodurch die Textur (Oberfläche, Porenvolumen) in den Fokus rückt. Das letzte Ziel dieser Arbeit ist es die Stickstoffdotierung hinsichtlich der katalytischen Aktivität in der oxidativen Dehydrierung von Ethanol zu untersuchen. Dabei stehen die Stabilität der Dotierung und des Kohlenstoffmaterials sowie die katalytische Aktivität im Vordergrund.

Carbon materials can be used as active components in various reactions, such as oxidative dehydrogenation. It is therefore of interest to synthesize carbon materials with suitable properties in terms of texture, morphology, doping content and surface functionalization in order to achieve a suitable catalyst material for the ODH of ethanol. This has a graphitic structure to ensure oxidation stability under the reaction conditions. Furthermore, it also has a high specific surface area so that a correspondingly high number of active centers can be present, which in turn determines the activity. Furthermore, the material should be predominantly mesoporous. The surface should have oxygen groups in order to provide quinones as an active center. In addition, doping with nitrogen can further increase the activity in the ODH. First, the properties of a tested polymer-derived carbon material are to be transferred to activated carbons, as the use of commercial materials would offer advantages over the complete synthesis route of a polymer-derived carbon material. The research question therefore arises as to whether the structural characteristics of the tested material, which are advantageous for the ODH of ethanol, are also accessible from an activated carbon and can be combined in it. This modified activated carbon is then used as a catalyst material in the oxidative dehydrogenation of ethanol. A further aim of the work is to develop the carbon material tested by HEROLD et al. with the aid of various nitrogen doping methods. For this purpose, the synthesis route of the polymer-derived carbon material (PDC) needs to be adapted so that a stable nitrogen doping results, which could improve the activity of the carbon catalyst material in the oxidative dehydrogenation of ethanol. The doping approach is therefore based on the PDC1500 and along its synthesis route. The goal is a nitrogen-doped polymer-derived carbon material (PDNC). Furthermore, nitrogen-containing polymers are to be synthesized and investigated as starting materials for doped carbon materials. This doping approach starts with monomers and is independent from the tested undoped material PDC1500 in order to shift the focus to nitrogen doping. Polymer-derived doped carbon materials (PDNC) will then be produced from these nitrogen-containing polymers. This doping approach therefore focuses less on the proven advantageous structural features (BET surface, mesoporosity, crystallinity). Nevertheless, these criteria need to be investigated for these carbon materials, whereby a temperature-stable carbon material must first be produced. A graphitization catalyst is used to achieve a hybrid material. Based on the PDC1500, any temperature-labile components were removed by the selective oxidation, thereby focusing on the texture (surface area, pore volume). The final aim of this work is to investigate the nitrogen doping with regard to the catalytic activity in the oxidative dehydrogenation of ethanol. The focus lies on the stability of the doping and the carbon material as well as the catalytic activity.