Entwicklung und Evaluation nanostrukturierter katalytisch aktiver Materialien im Rahmen der Biomassevergasung

• Antragsteller: Professor Dr. Xin Jiang; Professor Dr.-Ing. Wolfgang Krumm
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Technische Chemie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 241852027

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Vergasungstechnologie ermöglicht eine effiziente Nutzung von Biomasse als Energieträger durch deren Umwandlung in vielfältig einsetzbares Synthesegas. Dabei bilden sich jedoch Teersubstanzen, die zu Abnutzungen und Beschädigungen der Vergasungsanlage und der nachfolgenden Apparate zur Nutzung des Synthesegases führen. In diesem Projekt wurden Katalysatormaterialien entwickelt und getestet, die eine Reformierung dieser Teersubstanzen mittels Wasserdampf in nutzbare Gasbestandteile ermöglichen. Die Katalysatoren bestehen aus einer nanostrukturierten, katalytisch aktiven Schicht aus Ni5TiO7, die auf einem Trägermaterial aus Titan erzeugt wird, welches zuvor unter anderem mit Hilfe der plasmaelektrolytischen Oxidation (PEO) vorkonditioniert wurde. Prinzipiell ergeben sich hierbei dann zwei mögliche Syntheserouten für das Endprodukt der oben genannten katalytisch aktiven Schicht, die eine führt über einen CuO-NiO/TiO2/Ti und die andere über einen CaO/TiO2/Ti basierten Kompositansatz. Das Verhalten der Endprodukte beider Ansätze bei der katalytischen Teerreformierung wurde experimentell untersucht. Dabei zeigte sich, dass das CuO- NiO/TiO2/Ti System bei 850°C sehr hohe Teerumsätze bis 96 % erreicht. Im Projektverlauf stellte sich heraus, dass aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit des Katalysatormaterials die Verweilzeit des Gasstroms im Reaktor stark limitiert ist. Mit ausreichender Menge können auch bei 800°C vollständige Teerumsätze erreicht werden. Das CaO/TiO2/Ti System erreicht nur deutlich geringere Teerumsätze, weißt aber eine sehr gute Widerstandsfähigkeit gegenüber der Deaktivierung durch Anlagerung von Kohlenstoff auf der Katalysatoroberfläche als Nebenprodukt der Teerreformierung auf. Die Nanostrukturen entstehen auch deutlich homogener. Eine zukünftige Kombination der Vorteile beider Systeme birgt großes Potenzial. Im Projektverlauf hat sich gezeigt, dass sich die nadelförmigen Nanostrukturen über mehrere Zwischenschritte zu kugelförmigen Strukturen umformen. Der Arbeitsplan des Projekts wurde angepasst, um diese unerwartete Veränderung näher zu untersuchen. Die Reduktion der NiO-haltigen Nadeln bei der katalytischen Teerreformierung ist mitverantwortlich für die Oberflächenveränderung. Die genauen Mechanismen konnten jedoch noch nicht geklärt werden. Diese zu identifizieren und praktisch nutzbar zu machen, für die Beeinflussung der Nanostrukturen sowohl während der Herstellung des Katalysators als auch während des Betriebs im Reaktor, sind sehr interessante Forschungsfragen, die an dieses Projekt anschließen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2019) Achieving Ultrahigh Energy Densities of Supercapacitors with Porous Titanium Carbide/Boron‐Doped Diamond Composite Electrodes. Adv. Energy Mater. (Advanced Energy Materials) 9 (17) 1803623
  Xu, Jing; Yang, Nianjun; Heuser, Steffen; Yu, Siyu; Schulte, Anna; Schönherr, Holger; Jiang, Xin
  
• "Catalytic tar removal using TiO2/NiWO4-Ni5TiO7 films", Applied Catalysis B: Environmental 249 (2019) 155–162
  Xu, J.; Holthaus, P.; Yang, N.; Jiang S.; Heupel, A.; Schönherr H.; Yang B.; Jiang X.; Krumm, W.