Projekte

Chemische Energiespeicherung mittels flüssiger organischer Wasserstoffträger (Liquid organic hydrogen carriers; LOHCs)

Die LOHC-Technologie umgeht den Transport und die Lagerung von leicht entzündlichem molekularem Wasserstoff. Aromatische Moleküle wie Benzyltoluol (H0-BT) können reversibel zu Perhydrobenzyltoluol (H12-BT) hydriert und wieder zu H0-BT dehydriert werden, um Wasserstoff in Flüssigkeiten chemisch zu speichern und zu transportieren. Diese LOHCs sind in der Regel nicht brennbar, haben eine geringe Toxizität, liegen in einen großen Temperaturbereich als Flüssigkeit vor und haben eine hohe Speicherdichte für Wasserstoff. Darüber hinaus kann für die chemische Speicherung von Wasserstoff sogar die bestehende Infrastruktur für flüssige Kraftstoffe (Diesel, Benzin) genutzt werden, was sichere und einfache globale Lieferketten ermöglicht. Die technische Freisetzung von Wasserstoff erfordert jedoch aufgrund des stark endothermen Charakters der Dehydrierungsreaktion relativ hohe Reaktionstemperaturen. Das Hauptforschungsgebiet befasst sich daher mit der Freisetzung von Wasserstoff aus LOHCs mittels heterogen katalysierter Dehydrierung. Dieses Thema umfasst die Entwicklung und das Scale-Up der Synthese neuartiger Katalysatoren und deren Einsatz in verschiedenen Reaktorkonzepten. Darüber hinaus werden neue Prozessrouten für eine verbesserte Effizienz untersucht.

_{Kreislaufwirtschaftliche Nutzung von flüssigen organischen Wasserstoffträgern (LOHCs) für die Speicherung und den weltweiten Transport von Wasserstoff; © Moritz Wolf}

Neuartige Katalysatormaterialien für die CO2-Aktivierung

Das Projekt zielt darauf ab, potenziell vorteilhafte Synergieeffekte beim Einsatz von Nitriden als Trägermaterialien in heterogenen Katalysatoren für die Aufwertung von CO2 zu identifizieren und zu untersuchen. Ziel der Forschung ist die Entwicklung von Katalysatoren auf Basis von Übergangsmetallen oder deren Oxiden mit Kohlenstoffnitrid-basierten (C3N4) Trägermaterialien oder klassischen mit C3N4 modifizierten Trägern. Die synergetische Wirkung von C3N4 auf die Katalyse kann die Aktivität, die Selektivität oder die Stabilität im Vergleich zu Standardträgermaterialien erhöhen. So werden beispielsweise C3N4 mit unterschiedlichen Morphologien synthetisiert. Anschließend können die (Oberflächen-)Eigenschaften der hergestellten Materialien durch eine Vielzahl von Methoden (Exfolierung, Hydrierung, Ätzen, Hydrolyse etc.) verändert werden. Alternativ dazu sind auch die Ausgangsstoffe und die Syntheseparameter entscheidend bezüglich der resultierenden funktionellen Gruppen sowie der physikalisch-chemischen und morphologischen Eigenschaften. Die hergestellten Nitridmaterialien werden mit separat synthetisierten, wohldefinierten Nanopartikeln besetzt, was zu einstellbaren heterogenen Modellkatalysatoren führt, die dann bei der Umwandlung von CO2 getestet werden.

_{Vergleich der Schüttdichte von ursprünglichem C3N4 (links), mesoporösem C3N4 (Mitte) und nanoblättrigem C3N4 (rechts), jeweils 1 g; ©Angelina Barthelmeß}

CARE-O-SENE

CARE-O-SENE wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und verbindet sieben wichtige deutsche und südafrikanische Projektpartner: Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS), Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB), INERATEC, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Sasol Germany GmbH, Sasol Limited und University of Cape Town (UCT). Gemeinsam entwickeln wir optimierte Katalysatoren für die Herstellung von grünem Kerosin. CARE-O-SENE wird eine Schlüsselrolle bei der nachhaltigen Umstellung von Branchen wie der Luftfahrt spielen. Ziel ist die wirtschaftlichere und attraktivere Produktion von umweltfreundlichem Kerosin als Kraftstoffalternative. Unser Beitrag zu diesem Projekt ist die Entwicklung und Herstellung von Modellkatalysatoren, um mittels fortschrittlicher Charakterisierungstechniken Einblicke in strukturelle Abhängigkeiten und Funktionsprinzipien zu gewinnen.

SFB 1441 TrackAct – Assoziiertes Projekt

The DFG Collaborative Research Centre CRC 1441 ‘Tracking the Active Site in Heterogeneous Catalysis for Emission Control’ aims to identify and track the nature of the active site, to design and manipulate them from bottom-up across the various length scales, and - on a long-term vision - predict and actively control them during operation. The associated project ‘Inductive heating of catalysts and novel reactor designs’ introduces electromagnetic inductive heating to the CRC, which represents an emerging technology for heat management in catalytic applications. Aside from a huge potential to drive electrification of industrial processes, inductive heating enables process intensification, may increase energy efficiency, and represents a highly dynamic heating concept. In this project, we explore the application of inductive heating for catalytic converters with several scale-bridging approaches from lab-based reactor dimensions to the nanometre scale. One approach is the deposition of separately synthesized noble metal nanoparticles on larger particles or structures, which exhibit a certain magnetic susceptibility facilitating inductive heating. Alternatively, conventional catalysts are decorated with appropriate nanoparticulate materials, such as iron carbide nanoparticles, or physically mixed with bulk structures, e.g. stainless steel beads. Inductive heating will be incorporated in testing facilities for initial conceptual evaluation of developed materials and comparison with conventional heating concepts.

Formgebungsprozesse in der Katalyse

Für die technische Anwendung von Katalysatoren müssen die pulverförmigen Katalysatormaterialien im Mikrometerbereich meistens mittels Formgebung in stabile dreidimensionale Geometrien im Millimeterbereich überführt werden. Dies betrifft sowohl Vollkatalysatoren wie Mischoxide als auch klassische Trägermaterialien. Während der Formgebung können anwendungsrelevante Eigenschaften variiert werden und es werden im Vergleich zu Pulverkatalysatoren zusätzliche Komponenten, wie beispielsweise Binder, für die Stabilität der Formkörper benötigt. Entsprechend wird in diesem Projekt entlang der Prozesskette der Katalysatorformgebung geforscht. Die Optimierung beginnt bereits bei der Synthese von Pulvermaterialien und deren Charakterisierung, wobei die Entwicklung verschiedener Rezepturen für die Formgebung mittels klassischer Techniken wie Extrusion oder Tablettierung i Mittelpunkt steht. Schlussendlich werden die Verarbeitung und Stabilität der Formkörper sowie die katalytischen Eigenschaften in diversen Anwendungen evaluiert, was zum Teil zusammen mit anderen Arbeitsgruppen realisiert wird.