Development of a high throughput method for the discovery of selective propene oxidation catalysts

Abstract

The main focus of this thesis lies in the development of a high-throughput method for the discovery of catalysts for selective oxidation of propene. For this, a new 10-fold parallel reactor was constructed, validated, and tested for selective oxidation of propene to acrolein or propene oxide. Catalysts for these conversions were prepared by combinatorial chemistry approaches and subsequently screened in high-throughput techniques. Following a sol-gel procedure approximately 2200 catalysts have been prepared, and they were tested with the help of a stage robot reactor as primary screening and a 10-fold parallel reactor as secondary screening. Using the stage robot reactor, several catalysts consisting of Cu-containing mixed oxides have been discovered that were active for propene-oxide production, but they could not be confirmed by conventional tests. In the case of acrolein-production, a Pd10Ga45Cu45 catalyst has been found with the best activity. Among Mo-based catalysts, Mo94Ru4Te2 and Mo88Sn8Te4 showed very high propene conversion to acrolein with yield of 25% at 375 °C and yield of 28% at 400 °C, respectively.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Entwicklung einer Hochdurchsatz-Methode für die Entdeckung selektiver Propen-Oxidationskatalysatoren. Dafür wurde ein neuer 10-fach-Parallelreaktor entwickelt, validiert und getestet für selektive Oxidation von Propen zu Acrolein oder Propenoxid, indem kombinatorische chemische Vorgehensweisen zusammen mit Hochdurchsatz-Screening-Techniken genutzt wurden. Einem Sol-Gel-Verfahren folgend, wurden etwa 2200 Katalysatoren mit Hilfe eines Stage-Robot-Reaktors als primäres Screening und eines 10-fach-Parallelreaktors als sekundäres Screening vorbereitet und getestet. Durch einen Stage-Robot-Reaktor wurde entdeckt, dass einige Katalysatoren, bestehend aus Cu-fassenden vermischten Oxiden, aktiv Propen-Oxide produzieren, jedoch wurde es nicht durch herkömmliche Tests bestätigt. Bezüglich Acrolein-Produktion wurde ein Pd10Ga45Cu45-Katalysator aufgrund seiner Aktivität als bester befunden. Unter den Mo-basierten Katalysatoren zeigten Mo94Ru4Te2 und Mo88Sn8Te4 sehr hohe Propen-Konversion in Bezug auf Acrolein mit einer Ausbeute von 25% bei 375°C beziehungsweise 28% bei 400°C.