Materialsynthese und Scale-up

Unser Ziel ist es, Technologien zu entwickeln, welche die Speicherung chemischer Energie mit hoher Effizienz ermöglichen. Zu diesem Zweck betreiben wir sowohl Grundlagenforschung zur heterogenen Katalyse als auch angewandte technische Forschung zu hochentwickelten Reaktoren und Systemen. Der Schwerpunkt der Forschung liegt auf der nachhaltigen Katalyse und Technologien für eine erfolgreiche Energiewende mit Themen wie:

• Speicherung von Wasserstoff in flüssigen organischen Wasserstoffträgern (LOHCs – Liquid Organic Hydrogen Carriers),
• Synthese von chemischen Energieträgern,
• Nachhaltige Nutzung von Kohlenstoffdioxid, und
• Nachhaltige Herstellung von Synthesegas.

Wir untersuchen die Morphologie, die Oberflächeneigenschaften und die Stoffeigenschaften von Katalysatoren mit Hilfe klassischer Charakterisierungstechniken (Mikroskopie, Spektroskopie, Beugungstechniken, Elementaranalyse, Adsorptionsmethoden, thermische Analyse), um die Zusammenhänge zwischen Struktur-Reaktivität und Struktur-Stabilität in der Katalyse zu verstehen. Somit verbinden wir verschiedene Aspekte der Katalyse mit der Forschung auf dem Gebiet der chemischen Reaktionstechnik:

• Herstellung und Entwicklung von neuartigen Katalysatoren,
• Komplexe in situCharakterisierung unter Reaktionsbedingungen,
• Deaktivierung von Katalysatoren,
• Reaktionskinetiken,
• Die Entwicklung von Katalysatormodellen,
• Synthese von definierten (geträgerten) Nanopartikeln,
• Scale-Up der Katalysatorherstellung,
• Reaktor- und Prozessdesign,
• Reaktionstechnik, und
• Thermodynamik von Reaktionen, Prozessen und Nanomaterialien.

_{Klassischer Abwägungskompromiss bei der Katalysatorentwicklung; ©Moritz Wolf}

Der Schwerpunkt unseres Teams liegt auf der Entwicklung von Katalysatoren und Technologien für die chemische Energiespeicherung als wesentlichem Kernelement einer erfolgreichen Energiewende. Darüber hinaus wird die Nutzung von Kohlenstoffdioxid bei der Herstellung industrieller Grundchemikalien, einem wichtigen Bestandteil einer Kreislaufwirtschaft, untersucht. So gehören die chemische Wasserstoffspeicherung für einen sicheren und energiedichten Transport, die Aufwertung von Kohlendioxid und die klimaneutrale Herstellung von synthetischen Kraftstoffen zu unserem Forschungsgebiet. Die Lagerung von erzeugten erneuerbaren Energien mit typischerweise stark fluktuierendem Charakter in chemischen Energieträgern erlaubt nicht nur eine mittel- und langfristige Umwandlung, sondern ermöglicht auch den weltweiten Transport solcher gewonnenen Energieeinheiten aus Regionen mit günstigeren Rahmenbedingungen als beispielsweise in Deutschland. Diese neuen technologischen Herausforderungen können ebenso wie die nachhaltige wirtschaftliche Produktion von industriellen Grundchemikalien nur mit neuen Katalysatormaterialien und katalytischen Verfahren gelingen. Daher kombinieren wir grundlegende Arbeiten und angewandte Forschung, um signifikante Verbesserungen bei Energiespeichertechnologien zu erreichen. Diese Forschung verfolgt einen interdisziplinären Ansatz zwischen Katalyse, Ingenieurs- und Materialwissenschaften.

_{Maßstabsübergreifender und interdisziplinärer Ansatz in der Katalyseforschung; ©Moritz Wolf}

Der erste Schritt bei der Entwicklung neuer Katalysatormaterialien besteht darin, die Ursachen der beobachteten Aktivität, Selektivität sowie der Stabilität gegenüber verschiedenster Mechanismen der Katalysatordeaktivierung zu verstehen. Eine vergleichende Charakterisierung des Katalysators vor und nach der Anwendung in einem chemischen Reaktor ist jedoch nur für Proben sinnvoll, die nach Entfernung der Reaktionsatmosphäre die gleiche Zusammensetzung und Struktur aufweisen und unter Umgebungsbedingungen stabil sind. Viele der katalytisch und wirtschaftlich interessanten Übergangsmetalle sind jedoch pyrophor, d.h. sie oxidieren unter starker Wärmefreisetzung bei Kontakt mit Umgebungsluft. Diese hohe Instabilität verhindert die Charakterisierung solcher Katalysatoren im aktivierten Zustand oder nach ihrer Anwendung, so dass nur bedingt Rückschlüsse auf ihren tatsächlichen Zustand unter Reaktionsbedingungen gezogen werden können. Zudem lassen sich dynamische Strukturveränderungen, die während der Aktivierung oder Katalyse auftreten, nicht nachverfolgen. Ein Verständnis dieser Zusammenhänge ist jedoch unerlässlich, um Struktur-Reaktivität- und Struktur-Stabilität-Beziehungen zu verstehen. Daher gewinnt die Untersuchung von Katalysatoren unter Reaktionsbedingungen, die so genannte in situ oder operando Charakterisierung, zunehmend an Interesse. Mit den so erzielten Einblicken und Erkenntnissen können neue Katalysatoren für die Zukunft entwickelt werden, die eine Steigerung von Aktivität, Selektivität und Stabilität ermöglichen.