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TU Berlin

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Entwicklung und Optimierung alternativer Verfahren

In naher Zukunft werden fossile Energieträger, wie Kohle und Erdöl knapp werden. Da unserer industrieller Wohlstand eng mit der Energieversorgung verknüpft ist, ist deren Sicherung eines der heutigen Hauptaufgaben der Wissenschaft. Gleichzeitig müssen aber auch ökologische Aspekte berücksichtigt werden. Somit ergeben sich zwei Möglichkeiten: Zum einen können bestehende Verfahren können durch neue Katalysatoren optimiert werden. Die hilft Energie einzusparen, verringert Umweltverschmutzung - kann den Prozess aber auch ökonomischer machen. Die zweite Möglichkeit besteht darin neue Syntheserouten auf Basis billiger Rohstoffe zu erschliessen. Die Edukte können beispielsweise Nebenprodukte anderer Reaktionen sein, die bisher nicht nutzbar sind. Dies erlaubt einen schonenderen Umgang mit unseren Rohstoffen und kann den Prozess auf Dauer preiswerter machen.

Als Teil unserer Bemühungen erforschen wir beispielsweise die Freisetzung von Wasserstoff aus Ammoniak, um diesen dann in Brennstoffzellen für mobile Anwendungen nutzen zu können. Brennstoffzellen stellen eine vielversprechende Möglichkeit dar unsere Mobilität ohne die Abhängigkeit vom Erdöl zu sichern. Derzeit wird der Wasserstoff entweder als Reingas oder gebunden in kurzkettigen Alkoholen zugeführt. Die Lagerung und Handhabung von reinen Wasserstoffgas ist sehr schwierig: Gemische aus Wasserstoff und Luft sind über einen großen Zusammensetzungsbereich hinweg explosiv und, aufgrund der kleinen Molekülgröße, diffundiert Wasserstoff durch die meisten Materialien, was zu einem Verlust an "Brennstoff" führt. Die Verflüssigung, die bei vielen anderen gasen zum Einsatz kommt, um die Lagerung effektiver zu gestalten, ist beim beim Wasserstoff aufgrund des hohen Energieaufwands nicht praktikabel. Einen vielversprechenden Weg zur Speicherung von Wasserstoff stellt das chemische Speichern dar. Hier werden wasserstoffhaltige Substanzen, wie Methanol oder Ethanol, zusammen mit Wasser zu Wasserstoff und Kohlenstoffoxiden konvertiert. Allerdings gibt es auch hier schwerwiegende Nachteile: Zum einen wird Kohlenstoffdioxid freigesetzt, welches als einer der Hauptverursacher des Klimawandels angesehen wird. Zum anderen schädigen schon geringe Spuren von Kohlenstoffmonoxid die Brennstoffzelle irreversibel.
Ammoniak wiederum stellt ein Speichermedium dar, welches diese Nachteile nicht hat. Es speichert pro Volumen die anderthalbfache Menge an Wasserstoffatomen in Vergleich zum reinen Wasserstoff. Die Handhabung und Lagerung ist einfacher und erprobt. Weiterhin werden keine Treibhausgase während der Konvertierung zu Wasserstoff freigesetzt. Wir untersuchen neue Katalysatoren für diese Reaktion und versuchen die Reaktionstemperatur weiter abzusenken, so dass dieses Verfahren für die Industrie interessanter wird. Um dies zu erreichen, arbeiten wir mit zwei weiteren Arbeitsgruppen zusammen, die die Proben synthetisieren und analysieren. Die Erforschung der Reaktion, die Suche nach einem plausiblen Reaktionsmechnismus, sowie die Optimierung der Prozessparameter stellen unsere Hauptaufgabe dar. Die Ergebnisse fließen dann wieder zurück um neue Impulse und Ideen für die Synthese von Katalysatoren zu bekommen. Für das Testen der Katalysatoren steht ein vollautomatischer Versuchsstand zur Verfügung, der es sowohl erlaubt, Screeningreihen zu fahren als auch Langzeitstudien zu betreiben. Die Prozessparameter, wie Verweilzeit, Temperatur und Eduktkonzentrationen, können über einen großen Bereich verändert werden, um bestmögliche Daten für die Auswertung zu erhalten.

Einen weitereren Teil unserer Bemühungen stellt die Zusammenarbeit mit der Firma Bayer und einigen Universitäten in Deutschland und Spanien dar, neue Katalysatoren oder -systeme für die energieschonende Produktion von Chlorgas aus Chlorwasserstoff zu erforschen. Chlorwasserstoff ist ein Nebenprodukt bei vielen Prozessen und gilt deshalb als günstiger Ausgangsstoff für die Synthese. Allerdings sind die bisherigen Verfahren sehr energieaufwendig.
Zurzeit wird HCl zu Cl2 auf elektrochemischen Wege mit Hilfe eines Rutheniumkatalysators umgesetzt. Der Energieaufwand und das teure Ruthenium machen dieses Verfahren jedoch unattraktiv, so dass es sowohl ökonomisch als auch ekonomisch Sinn macht, den Prozess in Hinblick auf Katalysator- und Energieeinsatz zu optimieren und mit anderen bekannten Verfahren zu vergleichen. Ein Teil der Forschungsgruppen untersucht die elektrochemische Reaktion, der andere Teil die Gasphasenreaktion. Die Gasphasenreoxidation von Chlorgas (Deacon Reaktion) stellt eine interessante Alternative dar, da die Preise für elektrische Energie in den letzten Jahren immer weiter gestiegen sind.

Als Grundlage für die Katalysatoren dient Ruthenium. Es wird jeweils eine Reihe von Katalysatoren getestet und der beste in Bezug auf Selektivität und Aktivität wird detaillierter vermessen. Die Charakterisierung und die theoretischen Berechnungen werden von anderen Arbeitsgruppen übernommen, unserere Aufgabe ist die kinetische Untersuchung der Oxidation von HCl mit Sauerstoff an Ru Katalysatoren. Ein Modell des Reaktionsmechanismus ist von uns bereits vorgeschlagen worden und wird mit anderen Modellen verglichen. Der Einfluss der Produkte auf die Kinetik wird hierbei ebenso betrachtet, wie das Verhalten bei unterschiedlichen Prozessbedingungen.

Die Ergebnisse der Forschung sollen das Verständnis des Reaktionssystems verbessern und sollen das Fundament für weitere Verbesserungen des Katalysators legen bzw. eine Screeningstrategie um alternative Katalysatoren zu finden, liefern. Mit diesen erhofft man sich dann eine höhere Aktivität und Selektivität bei milderen Bedingungen.

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