SPP 2080:  Katalysatoren und Reaktoren unter dynamischen Betriebsbedingungen für die Energiespeicherung und -wandlung

• Fachliche Zuordnung: Wärmetechnik/Verfahrenstechnik ; Chemie ; Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ; Mathematik
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 358713534

Im Rahmen der Energiewende stellt die fluktuierende Verfügbarkeit von erneuerbaren Energien wie Wind- und Solarstrom eine der größten Herausforderungen dar. Strom, der an wind- und sonnenreichen Tagen anfällt, kann in Form von chemischen Energieträgern wie Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffen gespeichert werden. Dies erfordert den Einsatz von Katalysatoren, Reaktoren und elektrochemische Zellen unter von außen aufgeprägten dynamischen Reaktionsbedingungen. Der Einfluss dynamischer Bedingungen auf katalytische Reaktionssysteme wurde bislang unterschätzt. Zum einen besteht das Potenzial, durch dynamischen Betrieb die Ausbeute der erwünschten Reaktionsprodukte zu erhöhen und Katalysatoren in Ruhephasen zu reaktivieren. Zum anderen müssen die nanostrukturierten Katalysatoren stabilisiert werden. Hier setzt das vorliegende Schwerpunktprogramm an. Angewandt auf aktuelle Fragestellungen der Energiewende wird in einem interdisziplinären Forschungsprogramm ein grundlegendes Verständnis der mikroskopischen Vorgänge an festen Katalysatoren unter dynamischen Bedingungen und deren Auswirkungen auf Aktivität, Selektivität und Stabilität erarbeitet. In interdisziplinären Verbünden werden dazu grundlegende und methodische Herausforderungen des dynamischen Betriebs in fünf eng verknüpften Themenbereichen untersucht: (A) Charakterisierung mittels „operando“-Methoden, d. h. unter Reaktionsbedingungen, um Feststoffkatalysatoren „bei der Arbeit“ unter dynamischen Bedingungen zu verstehen, (B) vorhersagekräftige theoretische Beschreibung der sich unter dynamischen Reaktionsbedingungen ausbildenden aktiven Phasen und der am Katalysator ablaufender Elementarschritte,(C) Kinetik und Multiskalenmodellierung des Verhaltens von Katalysatoren und Elektroden unter technischen und dynamischen Bedingungen unter Einbeziehung atomarer Informationen,(D) gezielt hergestellte Materialien, um katalytisch aktive Oberflächenstrukturen zu stabilisieren und bei periodischer Reaktionsführung zu untersuchen, (E) neuartige Reaktor- und Elektrolyseurkonzepte für methodische Untersuchungen unter transienten Bedingungen. Der zu erwartende Erkenntnisgewinn soll künftig den effizienten Betrieb katalytischer Systeme unter dynamischen Bedingungen ermöglichen. Das grundlegende Verständnis hierfür wird am Beispiel von Reaktionen zur Energiespeicherung und -wandlung erarbeitet und schafft die Grundlage für zukünftige technische Anwendungen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Internationaler Bezug: Serbien

Projekte

• Analyse von erzwungen periodischen Betriebsweisen chemischer Reaktoren am Beispiel der Methanolsynthese (Antragstellerinnen / Antragsteller Kienle, Achim ;  Nikolic Paunic, Daliborka ;  Seidel-Morgenstern, Andreas )
• Dynamisch getriebene Rutil-basierte Elektrokatalysatoren für die saure Sauerstoffentwicklung jenseits stationärer Effizienz (DaCapo) (Antragstellerinnen / Antragsteller Heß, Franziska ;  Hofmann, Jan Philipp ;  Strasser, Peter )
• Einfluss dynamischer Betriebsbedingungen auf die elektrolytische Wasserstoff-Erzeugung (Antragsteller Jacob, Timo ;  Over, Herbert )
• Fe-basierte Katalysatoren für die Umwandlung von CO2 zu höheren Kohlenwasserstoffen unter dynamischen Bedingungen (Antragstellerinnen / Antragsteller Brückner, Angelika ;  Kondratenko, Evgenii ;  Pinna, Nicola )
• Hochaufgelöste, berührungslose Bestimmung von Temperatur- und Speziesverteilungen bei der Methanisierung innerhalb offenzelliger, katalytischer Schaumkeramiken (CARS4KAT) (Antragsteller Seeger, Thomas )
• Kontrolle des Degradationsverhaltens von perowskitischen OER-Katalysatoren unter dynamischen Operationsbedingungen durch operando-Charakterisierung und systematischer Variation der d-Orbital-Bandstruktur (Antragstellerinnen / Antragsteller Gunkel, Felix ;  Hausen, Florian ;  Kleiner, Karin )
• Koordinationsfonds (Antragsteller Grunwaldt, Jan-Dierk )
• Langzeitstabile, Co-basierte Katalysatoren für die mit Lastwechseln betriebene Sabatierreaktion (Antragsteller Bäumer, Marcus ;  Mädler, Lutz ;  Thöming, Jorg )
• Mehrskalen-Analyse und rationaler Entwurf von dynamisch betriebenen, integrierten Katalysator-Reaktor-Systemen für die Methanisierung von CO2 (Antragsteller Gläser, Roger ;  Sheppard, Thomas ;  Sundmacher, Kai )
• REALCO2DYN-X2: MOF-basierte CO2-Methanisierungskatalysatoren - Untersuchungen zu Mechanismen, Aktivität und Stabilität während industriell relevanter Dropout-Szenarien mittels Hartröntgenmethoden (Antragstellerinnen / Antragsteller Bauer, Matthias ;  Kleist, Wolfgang ;  Zobel, Mirijam )
• Selektivitätskontrolle unter Bedingungen dynamischer CO2 Elektroreduktion (Antragstellerinnen / Antragsteller Magnussen, Olaf ;  Roldan Cuenya, Beatriz )
• Sorptionsgesteuerte Hydrierung von CO2 zu Methanol unter dynamischen Reaktionsbedingungen (Antragsteller Deutschmann, Olaf ;  Gläser, Roger ;  Jentys, Andreas )
• Stabilisierung von RuO2 Elektrokatalysatoren durch Oberflächenmodifikation in der Wasserspaltung unter dynamischer und stationären Reaktionsbedingungen (Antragstellerinnen / Antragsteller Heß, Franziska ;  Over, Herbert )
• Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Ir-Ru-Elektroden für die Sauerstoffentwicklung unter dynamischen Betriebsbedingungen (Antragstellerinnen / Antragsteller Cherevko, Serhiy ;  Grunwaldt, Jan-Dierk ;  Krewer, Ulrike )
• Strukturelle Evolution eines Hochtemperatur-Sauerstoffentwicklungskatalysators unter transienten Arbeitsbedingungen (Antragsteller Eichel, Rüdiger-A. ;  Lunkenbein, Thomas ;  Scheurer, Christoph )
• Surface dynamics of reducible-oxide promoted inverse Ni and Cu catalysts: New concepts for CO2-hydrogenation (Antragsteller Behrens, Malte ;  Grunwaldt, Jan-Dierk ;  Studt, Felix )
• Transiente Hochtemperatur Sauerstoffevolutionsreaktion (Antragsteller Eichel, Rüdiger-A. ;  Reuter, Karsten ;  Schlögl, Robert )
• Wissensbasiertes Design dynamisch agierender Methanisierungskatalysatoren und deren Anwendung zur Vermeidung irreversibler Katalyatordesaktivierung (Antragstellerinnen / Antragsteller Franken, Tanja ;  Freund, Hannsjörg ;  Rubin, Michael )

• Sprecher: Professor Dr. Jan-Dierk Grunwaldt