Hydrogen production from bio-methane and bio-ethanol in catalytic membrane reactors

• Antragsteller: Professor Dr. Jürgen Caro; Professor Dr. Armin Feldhoff
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Technische Chemie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 232172514

Zwei Arten von Membranen, die kürzlich in unseren Arbeitsgruppen entwickelt wurden, sollen hinsichtlich ihres Sauerstoff- und Wasserstofftransportverhaltens ertüchtigt werden, um in katalytischen Membranreaktoren für die Transformation von (a) Bio-Methan und (b) Bio-Ethanol zu Wasserstoff nutzbar zu werden: perowskitartige oder zweiphasige Sauerstofftransportmembranen sowie nanoporöse Wasserstofftransportmembranen. Das Projekt zielt auf die Optimierung des Sauerstoff- bzw. Wasserstofftransports durch die entsprechenden Membranen, Anpassung geeigneter Katalysatoren, Einstellung der kinetischen Kompatibilität zwischen Sauerstoff- bzw. Wasserstofftransport und den Raten der katalysierten Reaktionen und schließlich die Ausprüfung bei praxisrelevanten Flüssen von Bio-Methan bzw. Bio-Ethanol.Das Konzept der Kopplung der thermischen Wasserspaltung mit der Partialoxidation von Methan (POM) zu Synthesegas wurde von uns in einer chinesisch-deutschen Gemeinschaftspublikation in Angewandte Chemie verifiziert. Jedoch war die Wasserstoffproduktionsrate in dieser Machbarkeitsstudie recht gering, da: (i) kein Katalysator für die Wasserstofffreisetzung durch Wasserspaltung verwendet wurde; (ii) ein Membranreaktor in Hohlfasergeometrie benutzt wurde, welcher ungeeeignet für quantitative Untersuchungen ist, weil sich Gaskonzentrationenen - und damit der Ni-basierte Katalysator die Triebkraft für Permeation und Katalyse - in axialer Reaktordimension lokal verändern; sowie (iii) der Ni-basierte Katalysator für die Wasserdampfreformierung ungeeignet für die die kinetisch schnelle einstufige katalytische Partialoxidation von Methan zu Synthesegas ist. Deshalb soll die Wasserstoffproduktion durch die Kombination von Wasserspaltung und POM in einem Membranreaktor mit planarer Scheibengeometrie unter Berücksichtigung einer kinetischen Kompatibilität beider Reaktionen erfolgen, wozu neuartige Katalysatoren eingesetzt werden, welche eine Sauerstoffüberflutung ermöglichen.Das Konzept zur Erhöhung der Wasserstoffausbeute in der Wasserdampfreformierung von Ethanol durch Integration wasserstoffselektiver Membranen wurde ebenfalls in jüngerer Zeit von uns verifiziert. Allerdings zeigen diese Arbeiten, dass weder Pd (oder Pd-Legierungen) noch siliziumoxid-abgeleitete Membranen unter den Bedingungen der Wasserdampfreformierung stabil sind, d.h., unter gleichzeitigem Vorhandendsein von Wasserdampf, CO und CO2. Die kürzlich von uns entwickelte hydrophobe wasserstoffselektive Molekularsiebmembran auf Basis metallorganischer Netzwerkverbindungen (MOFs) - mit deutlicher erhöhter Stabilität - eröffnet jedoch die Möglichkeit, die Wasserdampfreformierung von Ethanol in einem katalytischen Membranreaktor zu verwirklichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Beteiligte Personen: Professor Dr. Yanshuo Li; Professor Dr. Xuefeng Zhu