Forschung

Bei der Elektrolyse wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Das wohl prominenteste Beispiel ist dabei die Herstellung von grünem Wasserstoff mit Hilfe von Wind- und Solarstrom.

Hier am ITC liegt die Motivation, neben der Optimierung dieses emissionsarmen Prozesses, in der Nutzung von CO₂ als Rohstoff einer nachhaltigen chemischen Produktion. Abhängig von der Wahl des Katalysators kann CO₂ zu verschiedenen Molekülen umgesetzt werden, so katalysieren Zinn und Bismut die Reaktion zu Ameisensäure, Eisen zu CO, oder es können bei der Nutzung von Kupfer C₂₊-Produkten (z.B. C₂H₄, C₂H₅OH) erhalten werden. Um Massentransportprobleme bei der Dreiphasenreaktion zu minimieren, werden sogenannten Gasdiffusionselektroden (GDE) verwendet.  Mit Hilfe fortschrittlicher Techniken (z.B. EIS, in-situ XAS) können die verschiedenen Katalysatorsysteme systematisch und detailliert charakterisiert werden.

Hier am ITC umfasst die Forschung sowohl schon kleine Pilotanlagen (bis 3 A), als auch detaillierte Katalysatoroptimierung und „proof-of-concept“-Arbeiten. So werden Fragen zu geeigneten Prozessparametern, des Zelldesigns (z.B. zero-gap Anordnung oder Wahl der Membran), der Komposition der GDE (homogen/inhomogen), sowie der Katalysatorschicht (Einfluss des Binder oder Ionomers, Katalysatormorphologie, Herstellungsverfahren wie galvanische Abscheidung oder spray-coating) bearbeitet. Zu dieser experimentellen Herangehensweise finden zudem auch Arbeiten zu detaillierten Modellierungen der Vorgänge in der GDE statt. Dieser zweigleisige Ansatz ebnet den Weg zu einem ganzheitlichen Verständnis der Vorgänge während der elektrochemischen Reduktion von CO₂.

Die thermische Katalyse nimmt eine zentrale Rolle bei der Umwandlung chemischer Verbindungen durch temperaturgetriebene Reaktionen ein und ermöglicht eine effiziente Energie- und Ressourcennutzung in chemischen Prozessen. Am Institut für Technische Chemie in Stuttgart konzentriert sich die Forschung auf mehrere Schwerpunkte dieses Bereichs.

1. Das Katalysatordesign zielt darauf ab, aktive und stabile Materialien mit maßgeschneiderten Zusammensetzungen und Strukturen zu entwickeln. Durch die Optimierung der Wechselwirkungen zwischen Metall und Träger sowie der Oberflächeneigenschaften können Katalysatoren selbst unter rauen Reaktionsbedingungen hohe Selektivitäten und längere Lebensdauern erreichen.
2. Kinetische Untersuchungen liefern quantitative Erkenntnisse über Reaktionsgeschwindigkeiten und -mechanismen. Durch systematische Variation von Temperatur, Gaszusammensetzung und Strömungsbedingungen lassen sich geschwindigkeitsbestimmende Schritte identifizieren und zuverlässige kinetische Modelle für die Reaktor- und Prozessauslegung entwickeln.
3. Mechanistische Untersuchungen kombinieren experimentelle und modellgestützte Ansätze, um herauszufinden, wie aktive Stellen agieren und wie Intermediate entstehen und reagieren.
4. Widerstandsbeheizung stellt einen neuen Ansatz für stark endotherme Reaktionen dar, bei denen herkömmliche externe Heizungen oft Energieeinbußen zur Folge haben. Durch direkte elektrische Beheizung des Katalysators wird Wärme genau dort erzeugt, wo sie gebraucht wird. Dies führt zu einer schnelleren Temperaturregelung, einer höheren Energieeffizienz und potenziell geringeren CO₂-Emissionen.

Im Rahmen des Projekts ēQATOR werden diese Aspekte auf die Trockenreformierung von Methan angewendet, bei der Methan und Kohlendioxid in Synthesegas für die Herstellung von Biomethanol umgewandelt werden. Das Projekt zeigt, wie elektrisch beheizte katalytische Systeme Hochtemperaturprozesse effizienter, flexibler und nachhaltiger machen können.

In unserem Forschungsfeld der Plasmakatalyse wird das Potential der Kopplung von elektrisch erzeugten Plasmen und heterogenen Katalysatoren für alternative Prozesse zur Herstellung verschiedener chemischer Produkte untersucht. Die einzigartigen physikalischen Eigenschaften eines Plasmas als teilweise bis vollständiges ionisiertes Gas, mit einem damit hohen Energiegehalt und des Auftretens verschiedener angeregter Zustände, eröffnen dabei neue Möglichkeiten und Reaktionspfade.

Das Ziel der Plasmakatalyse ist dabei gezielt spezielle Anregungsprozesse zu erhalten und die jeweiligen Spezies anschließend am Katalysator umzusetzen, um so hohe Umsätze zu erreichen. Am Institut für Technische Chemie werden dabei sogenannte DBD-Plasmen (Dielectric Barrier Discharge) untersucht. Hier werden durch eine angelegte Wechselspannung (kV-Bereich) Entladungen zwischen zwei durch einen Gasraum und min. eines Dielektrikums getrennten Elektroden erzeugt. Durch diese Anordnung kann ein potentieller Katalysator direkt in die Plasmazone eingebracht werden. Potentielle Anwendungsbereiche liegen dabei sowohl bei exothermen (z.B. Ammoniakherstellung) als auch bei endothermen (z.B. Trockenreformierung von Methan) Reaktionen.

Die Forschungsfragen hier am ITC liegen sowohl in der Prozess- und Reaktorauslegung, dem Katalysatordesign als auch in kinetischen und mechanistischen Untersuchungen.

Die Mikroreaktionstechnik beschäftigt sich mit chemischen Reaktionen in kontinuierlichen Reaktoren mit sehr kleinen Kanalgrößen (Mikro- bis Millimeterbereich). Diese geringen Dimensionen ermöglichen eine schnelle Vermischung der Reaktanten, eine effektive Wärmeübertragung und eine enge Verweilzeitverteilung. Dadurch können auch bei komplexen Reaktionen hohe Selektivitäten und Umsätze erreicht werden. Zudem sind Mikroreaktoren gerade für schnelle, stark exotherme oder anderweitig sicherheitskritische Reaktionen geeignet.

Im Forschungsbereich Oberflächen-Organometallische Chemie und Molekulare, Heterogene Katalyse werden wohl-definierte Aktive Zentren auf den Oberflächen von Metalloxiden synthetisiert. Bei dem Ansatz der Oberflächen-Organometallischen Chemie werden Metall-Komplexe über Kondensation oder Addition mit den Hydroxylgruppen der Metalloxid-Oberfläche verbunden (A). Bei der Molekularen Heterogenen Katalyse werden an dem Grundgerüst eines Liganden des Metall-Komplexes sogenannte Ankergruppen geknüpft, die als Bindungsstelle zur Oberfläche dienen (B). Die so synthetisierten Spezies werden mit gängigen Methoden zur Untersuchung von Homogenen und Heterogenen Katalysatoren (IR, Raman, MAS NMR, X-ray diffraction, X-ray Absorption, UV-VIS, XPS, TEM, SEM) analysiert. Mit diesen Methoden untersuchen wir die Cyclo-enin-Isomerisierung, Hydroformylierung, ATR, Buchwald-Hartwig- und CO₂-to-MeOH Reaktion.

Im Forschungsbereich der Reduzierbaren Metalloxide werden Metall-Hydrid-Modell-Komplexe mit unterschiedlichen Eigenschaften verwendet, um die selektive Reduktion von redox-aktiven Metalloxiden zu untersuchen. Dabei werden Metall-Hydride-Modell-Komplexe mit unterschiedlicher Azidität, Bindungsdissoziationsenergie (M-H) und Oxidationspotentialen und Metalloxide mit unterschiedlichen Partikelgrößen, Oberflächen, Defekten und Leerstellen verwendet. Durch katalytische, kinetische und mechanistische Untersuchungen dieser Modell-Reaktionen erlangen wir ein tieferes Verständnis der analysierten Metalloxide. Viele dieser untersuchten Metalloxide (CeO₂, V₂O₅, MoO₃, Bi₂O₃, MnO₂) finden breite Anwendung, darunter die Abgasnachbehandlung, Lignin-Aufbereitung, elektrochemische CO₂ Reduktion und der Halbzellenreaktion OER.

Großtechnische Synthesewege zu CO₂-neutralen Aromaten und Olefinen sind rar. Ein Rohstoff, der bereits heute in erheblichen Mengen verfügbar ist, ist biobasiertes Ethanol. Ebenso wird aus Methan unterschiedlicher Herkunft Methanol in großen Mengen synthetisiert. Mit Hilfe von sauren Zeolithen werden beide Alkohole in eine Vielzahl von Olefinen und Aromaten umgewandelt. Dies macht Methanol und Ethanol zu perfekten Plattformen für die chemische Industrie von heute und morgen. Unser Ziel ist es, verbesserte Katalysatoren für die Umwandlung zu finden und ein tieferes Verständnis des Reaktionsmechanismus zu erlangen.

Die entscheidenden Eigenschaften funktioneller Feststoffe werden durch Anzahl und Identität aktiver Zentren bestimmt. Bevor vorhandene Zentren jedoch an einer chemischen Reaktion teilnehmen können, muss der Zugang von Molekülen zu ihnen gewährleistet sein. Insbesondere im Festkörper sind dabei in der Regel viel weniger Zentren zugänglich, als insgesamt vorhanden. Mit massiven Auswirkungen auf katalytische Anwendungen.

Die Methode der Wahl zur Untersuchung der Zahl zugänglicher, funktioneller Zentren ist die Anwendung sogenannter „Sondenmoleküle” und die Untersuchung der gebildeten Oberflächenspezies mittels Spektroskopie. Unser Ziel ist es, neue Methoden zu entwickeln, die ein tieferes Verständnis von Festkörperfunktionalitäten ermöglichen.