Matthias Fichtl

Dr. rer. nat. Matthias Fichtl

Lehrstuhl I für Technische Chemie
Technische Universität München
Lichtenbergstr. 4
D-85747 Garching
Germany

Email:   matthias.fichtl@ch.tum.de

Werdegang

Forschungsprojekt

Mit einem Jahresvolumen von über 47 Millionen Tonnen ist Methanol eine der wichtigsten Basischemikalien. Der Großteil des Alkohols wird in weiteren Prozessen zu Formaldehyd, Essigsäure oder dem Kraftstoffzusatz tert-Butylmethylether (MTBE) umgesetzt. Die industrielle Herstellung erfolgt in einem heterogen katalysierten Prozess aus Synthesegas. Hierfür werden ternäre Cu/ZnO/Al₂O₃ Systeme als Katalysator eingesetzt.

Neben schon seit Jahrzehnten laufenden Untersuchungen zur Aktivität und  zugrundeliegenden Mikrokinetik ist auch die Langzeitstabilität des Katalysators von entscheidender Bedeutung für seine industrielle Tauglichkeit. Dennoch existieren in der Literatur nur sehr wenige verlässliche Daten zum Desaktivierungsverhalten von Kupferkatalysatoren in der Methanolsynthese. Als Hauptgründe werden in der Regel das Sintern der katalytisch aktiven Kupferpartikel sowie die schleichende Vergiftung des Katalysators angeführt. Gänzlich jedoch fehlen bisher detaillierte Messungen, aus der eine verlässliche Desaktivierungskinetik bzw. ein systematisches Sinterverhalten abgeleitet werden kann.

Im Rahmen dieser Arbeit wird am Lehrstuhl I für Technische Chemie ein automatisierter Kinetik-Teststand für die Untersuchung des Langzeitverhaltens der Methanol- synthesekatalysatoren aufgebaut und in Betrieb genommen. Dieser ermöglicht es die Katalysatoren in vier parallel betriebenen Reaktoren unter industriellen Prozessbedingungen (60 bar, 300 °C) zu testen und im Hinblick auf Aktivität zu untersuchen. Die geplante Laufzeit der einzelnen Katalysatorversuche liegt bei mehr als 1000 Stunden kontinuierlichen Betriebs. Durch den Einsatz massenspektrometrischer und gaschromatographischer Online-Analytik kann zu jedem Zeitpunkt eine vollständige Charakterisierung und Quantifizierung der Reaktionsprodukte bis in den Spurenbereich erfolgen. Weiterhin kann an der Apparatur die katalytisch aktive Metalloberfläche zu verschiedenen Zeitpunkten des Versuchs bestimmt werden. Die Charakterisierung des gealterten Katalysators wird durch weitere Ex-situ Verfahren (z.B. XRD, TEM) ergänzt.

Nach Erstellung und Verifizierung geeigneter Versuchsführungen werden durch systematische Variation der Betriebsparameter (v.a. Temperatur, Druck, Feedgas-zusammensetzung, Wasserdampfpartialdruck) relevante Prozessgrößen für die  Desaktivierung ausgewählter Katalysatoren abgeleitet und ein kinetisches Modell hierfür aufgestellt. Diese Daten werden anschließend zur Optimierung eines mikrokinetischen Modells der Methanolsynthese genutzt. Ziel der Bemühungen ist es, durch Verknüpfung der Desaktivierungskinetik mit mikro- und makrokinetischen Modellen abschließend die Langzeitstabilität der Katalysatoren als Funktion der Betriebszeit und Prozessparameter darstellen zu können, was zur Optimierung industrieller Anlagen herangezogen werden kann.

Veröffentlichungen

F. Kraus, S.A. Baer, M.B. Fichtl, The Reactions of Silver, Zirconium, and Hafnium Fluorides with Liquid Ammonia: Synthesis and Crystal Structures of Ag(NH₃)2F ∙ 2 NH₃, [M(NH₃)₄F₄] ∙ NH₃ (M = Zr, Hf), and (N₂H₇)F, Eur. J. Inorg.Chem. 2009, 441-447.

F. Kraus, M. B. Fichtl, S.A. Baer, Beryllium Diammine Difluoride [BeF₂(NH₃)₂], Z. Naturforsch. 2009, 64b, 257-262.

Fichtl, M. B., Scherf, L. M., Baer, S. A. & Kraus, F. µ-Oxido-bis(pentammine iron(III))-chloride-ammonia(1/8), [Fe-2(µ-O)(NH₃)10]Cl₄⋅8NH₃. Z.Naturforsch.(B) 66, 784–792 (2011).

Salzinger, M., Fichtl, M. B. & Lercher, J. A. On the influence of pore geometry and acidity on the activity of parent and modified zeolites in the synthesis of methylenedianiline. Appl. Catal. A-Gen. 393, 189–194 (2011).

Peter, M., Fichtl, M.B., Ruland, H., Kaluza, S., Muhler, M., Hinrichsen, O. Detailed kinetic modeling of methanol synthesis over a ternary copper catalyst. Chemical Engineering Journal 203, 480–491 (2012).

Fichtl, M. B., Schumann, J., Kasatkin, I., Jacobsen, N.C., Behrens, M., Schlögl, R., Muhler, M., Hinrichsen, O. Counting of oxygen defects vs. metal surface sites in methanol synthesis catalysts by different probe molecules. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 7043-7047.

M. B. Fichtl, O. Hinrichsen, On the temperature programmed desorption of hydrogen from polycrystalline copper, Catal. Lett. 2014, 144, 2114–2120.

Konferenzbeiträge

Fichtl, M.B., Hinrichsen, O.
Efficient Methanol Synthesis Catalysts: Long-Term Stability and Modelling of Deactivation
MSE Kolloquium - Sustainable Energy Supply of the Future (Garching, 2011)

Fichtl, M.B., Hinrichsen, O.
Effiziente Methanolsynthese-Katalysatoren: Langzeitstabilität und Desaktivierungsverhalten
45. Jahrestreffen Deutscher Katalytiker (Weimar, 2012)

Fichtl, M.B., Hinrichsen, O.
Efficient Methanol Synthesis Catalysts: Long-Term Stability and Deactivation Phenomena
15th International Congress on Catalysis 2012 (München, 2012)

Fichtl, M.B., Hinrichsen, O.
Efficient Methanol Synthesis Catalysts: Long-Term Stability and Deactivation Phenomena
46. Jahrestreffen Deutscher Katalytiker (Weimar, 2013)

Fichtl, M.B., Hinrichsen, O.
Efficient Methanol Synthesis Catalysts: Long-Term Stability and Deactivation Phenomena
528. WE-Heraeus-Seminar "Energy-Related Catalysis Today and Tomorrow: From Fundamentals to Application" (Bad Honnef, 2013)

Fichtl, M.B., Hinrichsen, O.
Efficient Methanol Synthesis Catalysts: Long-Term Stability and Deactivation Phenomena
XIth European Congress on Catalysis (Lyon, 2013)

Fichtl, M.B., Hinrichsen, O.
Comparative in situ characterization of the copper metal surface area in methanol synthesis catalysts
47. Jahrestreffen Deutscher Katalytiker (Weimar, 2014)