Elektrische und elektrochemische Beobachtung der Wasserstoffperoxid-Direktsynthese in Suspensions-Mikroreaktoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Roland Dittmeyer; Dr.-Ing. Andreas Weltin, seit 8/2022
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 274353615

Ziel des Vorhabens ist es durch den Einsatz neuer miniaturisierter elektrochemischer Sensoren und begleitende orts- und zeitaufgelöste Simulationen tiefere Einblicke in die lokalen Details der Reaktions- und Transportvorgänge in einem neuartigen kontinuierlich betriebenen Membran-Mikroreaktorsystem für mehrphasige heterogen katalysierte Reaktionen zu erhalten. Für das industriell relevante Modellsystem der Direktsynthese von Wasserstoffperoxid aus den Elementen an Palladium-basierten Edelmetall-Trägerkatalysatoren wurde im Vorläuferprojekt eine Strategie zur gezielten Einstellung eines in Strömungsrichtung fallenden Konzentrationsverhältnisses von Wasserstoff zu Sauerstoff im Membran-Mikroreaktor ausgearbeitet, die zusammen mit Verbesserungen des Reaktordesigns hinsichtlich der Einbringung des Katalysators als Beschichtung auf 3D-gedruckten dünnwandigen metallischen Strömungsleitstrukturen in diesem Vorhaben nun experimentell umgesetzt und erprobt werden soll. Zur Erfassung der Konzentrationsverteilung der chemischen Spezies im arbeitenden System in Echtzeit wurden im Vorläufervorhaben miniaturisierte elektrochemische Sensoren entwickelt und erfolgreich in das bei Drücken bis 100 bar betriebene Reaktorsystem integriert. Dabei ist im Mikroreaktorsystem zusätzlich eine Membran zum direkten und blasenfreien Eintrag der beiden Edukte in das durch ein an die Membran angrenzendes mäanderförmiges Mikrokanalsystem strömende Reaktionsmedium integriert. Diese Art der Reaktionsführung bietet durch eine getrennte, alternierende Nachdosierung der Reaktanden in die Reaktionslösung über die Membran und die damit verbundene Möglichkeit das Konzentrationsverhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoff in dem für die Katalyse günstigen Bereich lokal einzustellen das Potenzial einen sicheren Betrieb bei gleichzeitig hoher Selektivität und Produktivität des Systems zu erhalten. Im Vorhaben soll dies experimentell gezeigt und anhand von Simulationen auch quantitativ nachvollzogen werden. Hierzu sind auch noch Verbesserungen der Sensortechnologie im Hinblick auf den Konzentrationsmessbereich und die möglichen Lösungsmittel erforderlich. Perspektivisch sollen die Erkenntnisse genutzt werden, um eine neue, intensivierte Technologie zur effizienten und kostengünstigen vor-Ort-Synthese von Wasserstoffperoxid als grünes Oxidationsmittel für chemische Anwendungen zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2383: Erfassung und Steuerung dynamischer lokaler Prozesszustände in Mikroreaktoren mittels neuer in-situ-Sensorik
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Gerald A. Urban, bis 7/2022