Untersuchungen zur oxidativen Dehydrierung von Ethanol zu Acetaldehyd an polymerabgeleiteten Kohlenstoffkatalysatoren

Schon mehreren Jahrzenten ist der Wissenschaft bekannt, dass Kohlenstoff selbst gute katalytische Eigenschaften aufweist und so auf die Verwendung von Metallen und deren Oxiden in der Katalyse verzichtet werden kann. Intensiv wurde die Kohlenstoffkatalyse an der Umsetzung von Ethylbenzol zu Styrol untersucht, als Katalysatoren wurden dabei vor allem Aktivkohle und Kohlenstoffnanoröhren eingesetzt. In in dieser Arbeit steht die Frage im Raum, ob die oxidative Dehydrierung (ODH) von Ethanol zu Acetaldehyd eine Reaktion ist, die ebenfalls kohlenstoffkatalysiert möglich ist. Damit bestünde eine interessante Alternative gegenüber dem für die großtechnische Acetaldehydherstellung eingesetztem Wacker-Höchst-Verfahren, welches auf Ethylen basiert. Als Katalysatoren dienen in dieser Arbeit, neben Aktivkohle und Kohlenstoffnanoröhren als Referenzen, polymerabgeleitete Kohlenstoffe, für die in der Arbeitsgruppe ein neuer Syntheseweg entwickelt wurde. Es konnte gezeigt werden, dass sich die polymerabgeleiteten Kohlenstoffe als Katalysatoren für die ODH von Ethanol eignen. Ihre Leistungsfähigkeit hängt stark von den Synthesebedingungen ab. Bei hohen Pyrolysetemperaturen werden katalytische Eigenschaften vergleichbar mit denen der Nanoröhren erreicht. Mechanistisch konnte gezeigt werden, dass das Hauptnebenprodukt der Reaktion Ethylacetat ist und durch die Verersterung von zur Essigsäure überoxidiertem Acetaldehyd und Ethanol entsteht.

It has been known for several decades that carbon itself has good catalytic properties so there is no need to use metals and their oxides in catalysis. Carbon catalysis was intensively investigated in the conversion of ethylbenzene to styrene, mostly with activated carbon and carbon nanotubes as catalysts. This thesis investigates whether the oxidative dehydrogenation (ODH) of ethanol to acetaldehyde is also possible with carbon catalysis. This would provide an interesting alternative to the Wacker-Höchst process which is used for large-scale production of acetaldehyde and based on ethylene.In this work polymer-derived carbons were used as catalysts, which were produced by a new developed synthetic route. It could be shown that the polymer-derived carbons are suitable as catalysts for the ODH of ethanol. Their performance depends on the synthesis conditions. At high pyrolysis temperatures, catalytic properties comparable to those of nanotubes. Mechanistically, it could be shown that the main by-product of the reaction is ethyl acetate and is formed by the esterification of acetaldehyde and ethanol that have been overoxidized to acetic acid.