Erzeugung von Wasserstoff mittels katalytischer Partialoxidation ...

Kapitel 3 – Aufgabenstellung und Stand der Forschung
einem Nickelkatalysator beobachtet [42]. Durch den frühen Erfolg der
Wasserdampfreformierung von Methan blieb die CPOX jedoch lange Zeit unbeobachtet. Dies
änderte sich mit der Entdeckung der katalytischen Partialoxidation von Methan an
Edelmetallen mit Kontaktzeiten im Bereich weniger Millisekunden Mitte der 90er Jahre.
Insbesondere die grundlegenden Arbeiten von L. D. Schmidt an Rh und Pt beschichteten
Trägerkatalysatoren [43, 44] und von A. T. Ashcroft an Ru auf Al 2 O 3 Festbettschüttungen [45]
galten als richtungweisend für die weitere Erforschung der Partialoxidation.
Die Untersuchung der katalytischen Partialoxidation von Methan bietet Einblicke in die
Wirkungsweisen heterogen katalysierter Reaktionen im Allgemeinen und katalytischer
Verbrennungsprozesse im Besonderen. Insbesondere in‐situ durchgeführte, örtliche und
zeitlich aufgelöste laserspektroskopische Experimente über Edelmetallfolien [46, 47] und
numerische Simulationen des Reaktionsgeschehens in Wabenkörpern mit detaillierten
chemischen Modellen trugen zur Aufklärung von Reaktionsmechanismen der katalytischen
Partialoxidation bei [48, 49]. In jüngster Zeit konnten durch R. Horn et al. zeitliche und örtliche
Profile mit hoher Auflösung in mit Pt und Rh beschichteten keramischen Schwämmen
gemessen werden, die die Vorraussagen hinsichtlich des Reaktionsmechanismus
weitestgehend bestätigen konnten [50, 51]. Zudem wurde die Existenz unterschiedlicher
Reaktionszonen bewiesen. Demnach wird Methan zuerst in einer kurzen Oxidationszone bis
zum vollständigen Verbrauch von limitierendem Sauerstoff größtenteils partial, aber auch
total oxidiert. Anschließend folgt eine Reformierungszone, in der verbleibendes Methan und
gebildete Reformierungsprodukte wie CO und H 2 O miteinander reagieren. Dabei spielen
insbesondere die Wasserdampfreformierung des Edukts (Gl. 3.8) und die Wassergas‐Shift‐
Reaktion (Gl. 3.4) eine dominierende Rolle.
CH 4 + H 2 O → 3 H 2 + CO Δ R H 0 = 205,9 kJ/mol (3.8)
Mittlerweile sind Teile der Reaktionsmechanismen von Methan auf einigen Edelmetall‐ und
Übergangsmetallkatalysatoren verstanden [49, 50, 52]. Aufgrund der Verschiedenheit der
aktiven Zentren und möglichen Wechselwirkungen kann zwischen aktivem Zentrum und
unterschiedlichen Trägermaterialien kein einheitlicher Reaktionsmechanismus für alle
Katalysatorsysteme aufgestellt werden. Im Allgemeinen ist jedoch festzustellen, dass
(i) die Methandissoziation immer eine reduzierte Metalloberfläche benötigt [53].
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