FOR 5715:  Entwicklung gemeinsamer Konzepte in der Thermo- und Elektrokatalyse zur Wasserstoffperoxid-Direktsynthese (HyPerCat)

• Fachliche Zuordnung: Wärmetechnik/Verfahrenstechnik ; Chemie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525028514

Die thermo- und elektrokatalytische Wasserstoffperoxid-Synthese ist ein hochaktuelles Forschungsgebiet. Das hat Interesse initiiert, ein kombiniertes Verständnis der zugrundeliegenden mechanistischen Konzepte zu erlangen. Für eine nachhaltige Wasserstoffperoxid-Produktion gibt es drei Zukunftsszenarien: (1) ein modifiziertes Anthrachinon-Verfahren, bei dem Wasserstoff aus Elektrolyseuren zugeführt wird, (2) die direkte selektive Wasserstoffperoxid-Synthese durch thermische heterogene Katalyse im kleinen Maßstab unter Verwendung von elektrokatalytisch gewonnenem Wasserstoff (t-HP) und (3) die direkte selektive elektrokatalytische Reduktion von Sauerstoff zu Wasserstoffperoxid (e-HP). Aus wissenschaftlicher Sicht ist es interessant, diese Prozesse über verschiedene Skalen zu vergleichen (von der atomaren Betrachtung der Reaktionsmechanismen und aktiven Katalysatorzentren bis zur Auslegung des Reaktors unter Berücksichtigung von Wärme- und Stofftransportlimitierungen), aber auch die Wertschöpfungsketten im industriellen Maßstab zu untersuchen. Obwohl dies eine Herausforderung ist, ist die Wasserstoffperoxid-Direktsynthese ein gut geeignetes System für diese Art von Studien, da die Prozessbedingungen von t-HP derer von e-HP ähneln, z.B. in Bezug auf (1) die katalytischen Materialien und (2) die Reaktionsbedingungen. Die Wasserstoffperoxid-Direktsynthese besitzt außerdem ein relativ einfaches Reaktionsnetzwerk mit nur zwei Reaktanten (Wasserstoff, Sauerstoff) und zwei Produkten (Wasserstoffperoxid, Wasser), stellt aber dennoch eine gewaltige Herausforderung in Bezug auf die katalytischen Aktivitäten und Selektivitäten dar. Ziel dieses Vorhabens ist es daher die t-HP und e- HP zu untersuchen, um die Faktoren besser zu verstehen, die die Aktivität und die Selektivität auf allen Skalen (von der Katalysatoroberfläche bis zum Reaktor) bestimmen. Wir wollen deshalb eine Forschungsgruppe einrichten, welche die Katalysatorherstellung, In-situ- und Operando-Charakterisierung, kinetische Studien (Mikro- und Makrokinetik) in verschiedenen Maßstäben und neuartigen Reaktoren sowie Multiskalenmodellierung auf der Grundlage theoretischer Berechnungen (Dichtefunktionaltheorie) und Experimente kombiniert. Auf diese Weise wollen wir Deskriptoren für aktivere und selektivere Katalysatorzustände und Reaktionsbedingungen erarbeiten, wobei die in der e-HP gewonnenen Informationen die systematische Entwicklung effizienter Katalysatoren für die t-HP vorantreiben können und umgekehrt. Diese Forschungsgruppe konzentriert sich auf die Reduktion von Sauerstoff zu Wasserstoffperoxid, da die Reaktionsbedingungen und die verwendeten Katalysatormaterialien ähnlich sind. Wir sind jedoch davon überzeugt, dass das hier entwickelte Wissen und die Konzepte zur vereinheitlichenden Betrachtung dieser beiden Bereiche (e-HP und t-HP), auch auf andere thermo- und elektrokatalytische Reaktionen wie beispielsweise die Kohlendioxid- und Stickstoffreduktion übertragbar sind.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Kanada

Projekte

• Analyse und Design elektrochemischer Grenzflächen für selektives e-HP (Antragsteller Strasser, Peter )
• Detaillierte Reaktionskinetik der thermo-katalytischen Direktsynthese von Wasserstoffperoxid in einem CSTR als Grundlage für Scale-up und Prozessbewertung (Antragsteller Sauer, Jörg )
• Kombination von kurzgeschlossenen t-HP und Halbreaktionen e-HP in einem kontinuierlichen Durchflussreaktor (Antragsteller Dittmeyer, Roland )
• Koordinationsfonds (Antragstellerin Behrens, Silke )
• Multiskalenanalyse von Reaktions-Transport-Wechselwirkungen in e-HP (Antragstellerin Krewer, Ulrike )
• Operando Charakterisierung von Katalysatoren während der H2O2 Synthese (Antragsteller Grunwaldt, Jan-Dierk )
• Synthese, Charakterisierung und Testung nanopartikulärer Katalysatoren (Antragstellerin Behrens, Silke )
• Theoretische Untersuchungen von t-HP und e-HP mittels DFT-Berechnungen (Antragsteller Studt, Felix )
• TP-5: Mikrokinetische Analyse und operando FTIR von Elektrokatalysatoren für e-HP (Antragsteller Röse, Philipp )

• Sprecherin: Professorin Dr. Silke Behrens