Aktuelle Projekte
ISyKat
BMWK - FKZ: 8 Online-Kennung: 100369765
Entwicklung von Impinging-Jet Mikroreaktor-Syntheseverfahren zur kosteneffektiven Herstellung von Pt, PtMx Legierungs- und M@Pt core-shell PEMFC Katalysatoren (M = Ni, Co etc.)
Bei dem Projekt handelt es sich um ein vom BMWK gefördertes Kooperationsprojekt mit der Firma Umicore AG.
Moderne Elektrokatalysatoren für PEM-Brennstoffzellen basieren auf dem Einsatz von Platin oder Platinlegierungen auf Kohlenstoffträgermaterialien. Das für die Herstellung eingesetzte klassische Batchverfahren limitiert die Produktionsmenge und ist nur unter Qualitätsverlusten und hohen Kosten hochskalierbar. Deshalb werden neue, effizientere Produktionsverfahren gesucht.
Bei der Impinging-Jet Mikroreaktortechnologie (kurz auch Mikrojet-Reaktortechnologie) werden zwei oder mehr Teilstrahlen unterschiedlicher chemischer Reaktionslösungen innerhalb von 0,1 ms vermischt, bevor nach ca. 1 ms die Partikelbildung durch Keime einsetzt. Diese Technologie erlaubt die gesteuerte Herstellung von Nanopartikeln mit hoher Qualität in einem kontinuierlichen, volumenskalierbaren Verfahren. In diesem chemisch-verfahrenstechnischen Projekt wird über die Weiterentwicklung und Optimierung dieser Methode ein alternatives, wesentlich energie- und stoffeffizienteres, kontinuierliches Herstellungsverfahren für Katalysator- und Trägerkomponenten für Brennstoffzellenanwendungen entwickelt.
Hierzu wird eine modulare Anlage aus zwei in Reihe geschalteten konstruktiv verbesserten Mikrojet-Reaktoren und einem Wasserverdampfer konzipiert und aufgebaut, so dass unter erhöhten Drücken bis hin zu hydrothermalen Bedingungen eine kontinuierliche Synthese metallischer und intermetallischer Nanopartikel auf Edelmetallbasis durch reduktive (Co‑)Präzipitation durchgeführt werden kann.
Die Versuchsdurchführung wird auf der Basis eines Design of Experiment (DoE) geplant und die Versuche danach durchgeführt. Variationsparameter stellen die Präkursoren bzw. Edelmetallsalze, Reduktionsmittel, Lösemittel, Additive bzw. Hilfsstoffe, Fällungsmittel sowie deren Konzentrationen und pH-Werte dar, ebenso wie Reaktionstemperaturen und Fluidflüsse, aus denen sich Drücke, Mischzeiten sowie die Übersättigung ergeben. Die Zielgrößen Partikelgröße, ‑dispersion, ‑morphologie, ‑textur sowie ‑kristallinität werden im Rahmen von Alterungsversuchen untersucht.
Die Charakterisierung der Partikelgröße und ‑verteilung der erhaltenen Elektrokatalysatoren erfolgt nach der Synthese in Dispersion mit Dynamischer Lichtstreuung (DLS). Eine ebenfalls kontinuierliche Abtrennung erhaltener Partikel von Dispergier- und Hilfsmitteln wird durch ein UF/NF-Filtrationsmodul ermöglicht. Nach Trocknung können die erhaltenen festen Elektrokatalysatoren hinsichtlich Partikelmorphologie und ‑textur mittels REM/TEM und anderen Methoden wie XPS, SAXS, XRD usw. untersucht werden. Elektrochemische Aktivitätstest über Cyclovoltammetrie (CV) der erhaltenen NP, besonders in geträgerter Form, werden ausschließlich vom Kooperationspartner Umicore AG durchgeführt.
Zur CFD-Modellierung des Fließverhaltens in den sequentiell geschalteten Mikrojet-Reaktoren werden RANS- und DES-Simulationen durchgeführt.
MeOHKat
Alfred Kärcher-Förderstiftung
Katalysatorentwicklung zur Verwertung von klimaschädlichem CO2 über technische Methanolsynthese
Bei dem Projekt handelt es sich um ein von der Alfred-Kärcher-Förderstiftung unterstütztes, umweltrelevantes Forschungsvorhaben.
Ziel der Entwicklung ist es, ein Katalysatormaterial aus der Klasse der multinären Übergangsmetall-Oxide zu synthetisieren, welches dazu geeignet ist, Kohlendioxid (CO2) und Wasserstoff (H2) mit hoher Selektivität in Methanol (H3COH) zu überführen und damit einen Beitrag zur Reduktion von CO2 in der Umwelt zu leisten. Mit den bisher im Stand der Technik in der Literatur beschriebenen Katalysatoren sind die erzielten Umsätze und Selektivitäten noch weiter verbesserungswürdig. Ausschlaggebend dabei ist die Methanol-Selektivität im thermodynamischen Gleichgewicht: diese erreicht erst bei Drücken oberhalb von 50 bar und Temperaturen von 200°C über 95%. Das Veredelungsprodukt Methanol selbst stellt nicht nur einen gefragten Rohstoff in der Industrie dar und kann u.a. in Brennstoffzellen zur Energiegewinnung umweltfreundlich weitergenutzt werden oder aus ihm Kraftstoffe hergestellt werden (Methanol to Gasoline), sondern ist eine wichtige Energiespeicherverbindung: der in ihr enthaltene Wasserstoff kann durch Dampfreformierung wieder freigesetzt werden und das wieder freigesetzte Kohlendioxid schließt den Kohlenstoffkreislauf.
Zur Synthese der zu entwickelnden Katalysatormaterialien sollen beispielsweise Co-Fällungen aus wässrigen Medien oderImprägnationen von kommerziellen Trägermaterialien genutzt werden. Diese Synthesen unterliegen vielen Einflussfaktoren, wie z.B. der Zusammensetzung von Lösungen (verwendete Edukte, Lösungsmittel, Fällungsmittel, Anionen, Additive, pH), oder aber auch physikalischen Phänomenen (Temperatur, Mischsequenzen, Übersättigung, Alterung), die als Variationsparameter die Katalysatorbildung steuern und dementsprechend optimiert werden müssen. Zur systematischen Untersuchung bieten sich kombinatorische Methoden nach den Prinzipien des Design-of-Experiment (DoE) und High-Throughput-Experimentation (HTE) zur Katalysatorsynthese an. Der Einfluss der genannten Parameter auf die Zusammensetzung des Niederschlags, seine Reinheit und Homogenität, die gebildeten Phasen und Modifikationen, Kristallinität, Morphologie, Partikelgröße und Textur bestimmen maßgeblich die katalytischen Produkteigenschaften und sollen für die hergestellten Materialien untersucht werden.
In einer ersten Phase wird ein Screening potentiell interessanter Elementkombinationen in Verbindung mit ersten Variationen bezüglich der oben genannten Parameter durchgeführt und über eine Beschichtungstechnik in den Testreaktor eingebracht. Als Kriterium zur Auswahl von Katalysatoren für eine sich anschließende Optimierungsphase werden katalytische Aktivitätsmessungen herangezogen, bei denen die hergestellten Proben in vorhandenen Parallel-Reaktoren unter Verwendung von CO2 / H2 Modelgasgemischen getestet werden. Neben den zur Reaktion benötigten Drücken und Temperaturen stellt der Selektivitätsgrad der Methanolbildung das ausschlagende Kriterium für die Auswahl zur Optimierung dar. Hierzu muss eine Analytik der gebildeten Produkte durchgeführt werden.
HT-H2-DeNOx
BMWK/AiF Fördernr.: 22407 BG
Katalytische NOx Enfernung mittels H2 aus dem Abgassystem THG-neutraler, magerer H2-Verbrennungsmotoren für stationäre und mobile Anwendungen
Kooperationspartner
Bei dem Projekt handelt es sich um ein vom BMWK und der AiF geförderten Kooperationsprojekt mit der Technischen Universität Bergakademie Freiberg (TUBAF) zur umweltrelevanten Abgasnachbehandlung potenzieller THG-neutraler, magerer H2-Verbrennungsmotoren.
Magere H2-Motoren sind für den Einsatz bei großen Aggregaten im mobilen und stationären Bereich (z.B. Nfz, Schiffe, BHKW) eine leistungsstarke, THG-neutrale Antriebstechnologie. Den hohen Wirkungsgraden der mageren H2-Motoren steht jedoch die Emission von NOx gegenüber. Daher ist zur Einhaltung zukünftiger Ultra-Low-NOx-Grenzwerte (Post-EU 7 für Kfz, Post-Tier III für Schiffe) eine Abgasnachbehandlung zur NOx-Entfernung zwingend erforderlich. Neben etablierten Methoden wie dem SCR-Verfahren stellt die NOx-Reduktion mit H2 als Reduktionsmittel (H2-DeNOx) eine effektive Methode dar. Dies wurde sowohl für einen mageren H2-Verbrennungsmotor als auch für einen Pkw-Dieselmotor erfolgreich nachgewiesen. Die H2-DeNOx-Technologie wurde bisher jedoch ausschließlich für niedrige Abgastemperaturen entwickelt, sodass derzeit keine H2-DeNOx-Katalysatoren für die gängigen Abgastemperaturen magerer H2-Verbrennungsmotoren von Lkw, Schiffen und BHKW existieren. Daher ist das Ziel dieses Projekts die Entwicklung eines H2-DeNOx-Katalysators, der bei den relevanten Abgastemperaturen von 250 bis 450°C hochaktiv ist und damit zukünftige Anforderungen an ultraniedrige NOx-Emissionen erfüllt.
Dazu werden in Kooperation von TUBAF und TUC über 600 potentiell aktive Katalysatorproben hergestellt und deren Aktivität untersucht. Mittels der Prinzipien der Hochdurchsatzexperimentation (HTE) sowie Verwendung statistischer Methoden bei Versuchsplanung (Design of Experiment) und -auswertung (Data-Mining) wird eine große Bandbreite potentiell aktiver Materialien systematisch abgerastert. Bei Erfolg des Vorhabens ist die H2-DeNOx-Technik für den Nieder- und auch den Hochtemperaturbereich anwendbar, sodass auf AdBlue-SCR-Infrastruktur (NH3-SCR-Verfahren) gänzlich verzichtet werden kann.
Seitens der TUC-CT erfolgt im ersten Schritt ein breites Screening der an der TUBAF hergestellten Katalysatorproben über ein sequenzielles Hochdurchsatzscreening auf einer motorisierten xyz-Bewegungseinheit. Die Analyse der Stickstoffoxide zur Umsatzberechnung erfolgt über eine multivariate FTIR-Gasanalyse in einem Prozessspektrometer. Nach der Hitidentifizierung und weiteren Optimierung der Katalysatormaterialien erfolgt im zweiten Schritt an der TUC-CT außerdem eine Hydrothermalalterung unter extremen Temperaturbedingungen (T > 500 °C) in einem 10-fach Parallelalterungsreaktor zur Überprüfung der Stabilität gegenüber dem Katalysatorgift H2O.
P2G-CatCarrier
AiF-IGF Projekt
Entwicklung keramischer Träger für mikrostrukturierte Reaktoren für die chemisch-katalytische Methanisierung von CO2
Kooperationspartner
Bei dem Projekt handelt es sich um eine umweltrelevante Forschungsthematik mit Förderung durch AiF-IGF. Die zunehmende atmosphärische Konzentration des Treibhausgases CO2 schafft ein kritisches Risiko für das Klimasystem der Erde, sodass eine Kreislaufführung des CO2 mittels chemischer Reaktion in der heutigen Zeit besonders attraktiv ist. Anhand der Sabatier-Reaktion wird CO2 zu CH4, einem nützlichen speicherbaren Energieträger, umgewandelt.
Die Kooperation zwischen TUC und PTS ermöglicht die spezifische Entwicklung keramischer Materialien, die als Basis für Methanisierungskatalysatoren dienen. Mittels der Imprägnierungstechnik wird die kompakte und poröse Keramik mit definierten Dimensionen mit Aktivkomponenten beladen. Anschließend erfolgt die Prüfung physikalischer Eigenschaften, wie mechanische Stabilität, Porosität und Dichte. Bildgebende Methoden unter Verwendung des REM mit EDX-Mapping geben Aufschluss über die Verteilung der katalytischen Komponenten.
Die reaktionstechnische Untersuchung im Mikrostrukturreaktor (p = 15 bar, T = 300 °C) unter Ausnutzung von vorteilhaften Mikrostruktureffekten, wie einer Intensivierung des Stoff- und Wärmetransports, dient zur Prüfung der CO2-Umsatzgrade und CH4-Selektivitäten des eingebauten Katalysators.
