Entwicklung, Optimierung und Screening von heterogenen Katalysatoren

Schwerpunkt: Katalysatoren für die Energiewandlung

Aufgrund der täglichen und saisonalen Diskrepanz zwischen Verfügbarkeit und Bedarf regenerativer Energie sind neue Szenarien der Energiespeicherung Gegenstand intensiver Forschung.

Methanol ist ein vielseitiger chemischer Grundstoff und spielt auch als Energieträger eine immer größere Rolle für die Energiewende. Für die Synthese von Methanol aus Kohlenstoffdioxid und elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff wurden zwei Verfahren zur Katalysatorsynthese optimiert. Für das anschließende Screening der Katalysatoren hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit stehen verschiedene Reaktorsysteme zur Verfügung.

Optimierung der heterogenen Methanolsynthese aus CO₂ und elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff

Nach dem Stand der Technik werden Katalysatoren für die Methanolsynthese mittels Kopräzipitation über mehrere Zwischenstufen aus kupferhaltigen Lösungen hergestellt. Mit dem Ziel, bei dieser Katalysatorsynthese im industriellen Maßstab Energie, Zeit und Ressourcen einzusparen, wurde das Verfahren am Institutsteil BioCat des Fraunhofer IGB für den kontinuierlichen Betrieb optimiert (Patent angemeldet).

Eine weitere innovative Methode zur Katalysatorsynthese basiert auf der Auflösung von Metallverbindungen in tief eutektischen Lösungsmitteln, gefolgt von der Karbonisierung (WO2016/180973A1).

Das Screening von Katalysatoren für heterogene Reaktionen erfolgt in jeweils vier Paralleleinheiten für Batch-Experimente und kontinuierlichen Betrieb im Hochdurchsatz.

Für das Screening von heterogenen Katalysatoren in Gasphasenreaktionen stehen am Institutsteil Straubing zwei Reaktorsysteme zur Verfügung.

Mehrzweck-Screening-System

Ein Mehrzweck-Screening-System besteht aus vier parallelen Reaktorrohren und Online-GC/MS-Analyse. Über ein spezielles Gasdosiermodul können technisch relevante Synthesegasgemische unterschiedlicher CO/CO₂/H₂/H₂O-Verhältnisse eingestellt werden. Das System erlaubt das Screening von Katalysatoren und Reaktionsbedingungen im Hochdurchsatz. Zudem ermöglicht es die Bewertung der Langzeitstabilität von Katalysatoren unter optimalen Betriebsbedingungen und die quantitative Erfassung und Analyse der flüssigen Produkte. Das Design ermöglicht auch die Durchführung verschiedener anderer Reaktionen wie Methanisierung, Fischer-Tropsch-Synthese und chemische Umwandlung von Methanol in Olefine oder flüssige Kraftstoffe sowie die Ammoniaksynthese.

Einrohrsystem

Ein Einrohrsystem für die Testung von Katalysatoren bei Atmosphärendruck wurde selbst entworfen und gebaut. Hier stehen zwei Betriebsgrößen mit maximal einem bzw. 50 Gramm Katalysatorbeladung zur Verfügung. Das System ermöglicht die Untersuchung von Reaktionskaskaden wie der Methanolsynthese, die an den Methanol-to-Olefin-Prozess gekoppelt sind.