2026-03-122026-03-12https://hdl.handle.net/11420/62034Acrolein ist ein wichtiges Zwischenprodukt der chemischen Industrie mit einem Produktionsvolumen von mehreren hunderttausend Tonnen pro Jahr. Die Herstellung von Acrolein ist energieintensiv und erfolgt heute durch katalytische Oxidation von Propen, das durch Wasserdampfspaltung von Erdölkomponenten erzeugt wird. Ziel des Forschungsprojekts ist es, die oxidative Kopplung von Methanol und Ethanol als alternativen Syntheseweg zu Acrolein zu untersuchen, der heterogen-katalysiert an Eisenmolybdat-Katalysatoren abläuft. Methanol und Ethanol können aus erneuerbaren Rohstoffen hergestellt werden. Damit könnte diese oxidative Alkoholkopplung die Herstellung von Acrolein aus fossilen Rohstoffen perspektivisch ersetzen. Für eine industrielle Anwendung sind die Acroleinausbeuten noch zu gering, könnten aber erhöht werden, wenn die mechanistischen Grundlagen dieser Reaktion einmal verstanden sind. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, den Reaktionsmechanismus, die geschwindigkeitsbestimmenden Schritte, die aktiven Zentren, die Oberflächenadsorbate und die Struktur-Wirkbeziehung des Katalysators aufzuklären. Folgende Fragen sollen beantwortet werden: 1.) Was ist die Struktur der aktiven Zentren des Katalysators, wo befinden sich diese Zentren auf der Katalysatoroberfläche und wie verteilen sie sich im Reaktor? 2.) Auf welchen Reaktionspfaden entsteht Acrolein und wie entstehen die selektivitätsmindernden Nebenprodukte? Welche Reaktionsschritte sind auf diesen Pfaden geschwindigkeitsbestimmend und welche Adsorbate bedecken die Katalysatoroberfläche. 3.) Wie ist die Kinetik der Reaktionsschritte und ist es möglich, durch erzwungene periodische Modulation der Konzentration der Reaktanden Selektivität und Ausbeute von Acrolein zu erhöhen? Zur Beantwortung dieser Fragen werden moderne spektroskopisch-kinetische Messmethoden mit modernen Modellierungsmethoden synergistisch gekoppelt. Molekular-spektroskopische Methoden werden in temperatur-programmierten und Modulations-Anregungs-Experimenten angewendet, um die kinetisch relevanten Zentren und Adsorbate an der Katalysatoroberfläche zu identifizieren. Die Verteilung dieser Zentren und Adsorbate im Reaktor wird mithilfe von kinetischen- und spektroskopischen Reaktorprofilmessungen untersucht. Alle kinetischen und spektroskopischen Daten dienen als Grundlage für die modellbasierte Entwicklung eines detaillierten Reaktionsmechanismus und eines mikrokinetischen Modells. Hierfür werden Dichtefunktionaltheorie und mikrokinetische Modellierung mit Methoden des maschinellen Lernens kombiniert. Mit dem mikrokinetischen Modell wird berechnet welche Betriebsbedingungen des Reaktors zu optimalen Acroleinausbeuten führen und die Vorhersagen werden experimentell verifiziert.Acrolein is an important intermediate of the chemical industry with a production volume of several hundred thousand tons per year. Acrolein synthesis is energy intensive and is based on the catalytic oxidation of propylene, which in turn is obtained by steam cracking of crude oil fractions. Goal of this research project is to investigate an alternative synthesis route to acrolein, which is the heterogeneously-catalyzed coupling of methanol and ethanol on iron molybdate catalysts. Both, methanol and ethanol can be obtained from renewable resources, making this synthesis route a potential future green alternative to today’s synthesis from fossil feedstocks. Acrolein yields are still not competitive for industrial application but could be increased based on a solid mechanistic understanding of this reaction. Goal of this research project is to understand the reaction mechanism, active sites, surface adsorbates and the structure-reactivity correlation of the catalyst. The following questions will be answered: 1.) What is the structure of the active sites, where are the active sites on the catalyst surface and how are they distributed along the reactor? 2.) What are the reaction pathways to acrolein and to the undesired side products? Which steps along these pathways are rate determining and which adsorbates are covering the catalyst surface? 3.) What is the kinetics of these steps and is it possible to increase acrolein selectivity and yield by forced periodic modulation of the reactants. To answer these questions, modern spectrokinetic measurement methods will be synergistically coupled with modern modeling methods. Molecular spectroscopy in temperature programmed and modulation excitation mode will be coupled with kinetic and spectroscopic reactor profiling to identify which active sites and surface adsorbates are kinetically relevant and how they are distributed in a plug flow reactor. The experimental kinetic and spectroscopic data lay a fundament for the development of a detailed reaction mechanism and a microkinetic reaction model using modeling tools such as Density Functional Theory, Microkinetic Modeling and Machine Learning Methods. The microkinetic model will then be used to calculate how the reactor has to be operated to achieve optimum acrolein yields. The model predictions will be experimentally verified.