NSF-DFG Echem: Zukünftige Kraftstoffe und Chemikalien durch elektrokatalytisches Upgrading: Vertieftes kinetisches Verständnis durch operando-Spektroskopie und quantenchemische Modellierung

• Antragsteller: Professor Dr. Uwe Schröder
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460534473

Der Schwerpunkt dieses Projektes liegt in der elektrokatalytischen Hydrierung und Desoxygenierung von Pyrolyse-basierten Bioölen zur Herstellung von Chemikalien und Kohlenwasserstoff basierten Kraftstoffkomponenten. Die US-deutsche Zusammenarbeit besteht zwischen Prof. Christopher Saffron, James Jackson und Scott Calabrese Barton von der Michigan State University (MSU) in East Lansing, Michigan, und Prof. Uwe Schröder von der Technischen Universität Braunschweig (TUB) in Niedersachsen, Deutschland. Zu den relevanten Aktivitäten gehören die organische Elektrosynthese, die Bewertung von Elektrokatalysatoren durch in operando-Techniken, quantenchemische Modellierung, sowie Reaktionstechnik und Reaktordesign, die zu grundlegenden Kenntnissen führen, um das Scale-up der Elektrosynthesen zu ermöglichen. Mit der Weiterentwicklung dieser Technologie ist die Herstellung "fertiger" Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe möglich, was zur ländlichen Produktion von Elektrobiokraftstoffen führt. Elektrobiokraftstoffe sind dabei Kraftstoffe, die die Energie aus zwei erneuerbaren Energieträgern koppeln: Biomasse und regenerative Elektrizität (z.B. Wind und Sonne). Wissenschaftlich-technische Bedeutung: Die Schnellpyrolyse nutzt Wärme ohne Sauerstoff, um Biomasse in flüssiges Bioöl, feste Biokohle und brennbare Gase umzuwandeln. Die Korrosivität und reaktive Instabilität von Bioöl schränken jedoch seine Verwendung in konventionellen Brennstoff- und chemischen Prozessen ein, so dass eine Aufarbeitung erforderlich ist, um diese Hürden zu überwinden. Die elektrochemische Hydrierung von Bioöl ist eine wichtige Veredlungstechnik, um seine Reaktivität und Korrosivität zu verringern und seine Kompatibilität mit der konventionellen Herstellungsinfrastruktur zu verbessern. Vorarbeiten zeigen, dass Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindungen sowie de-lokalisierte pi-Bindungen während der elektrochemischen Hydrierung gesättigt werden. Außerdem laufen diese Reaktionen im Vergleich zur konventionellen Hydrierung unter sehr milden Reaktionstemperaturen und -drücken ab. In diesem Kooperationsprojekt zwischen der Michigan State University und der Technischen Universität Braunschweig wird durch die Kombination elektrokatalytischer Untersuchungen, Operando-Messungen, quantenchemischer Modellierungen sowie einer kinetischen Modellentwicklung ein erweitertes Verständnis der Reaktionsmechanismen der elektrokatalytischen Hydrierung gewonnen. Die neu gewonnenen Erkenntnisse werden zu einem verbesserten Reaktordesign und einer besseren Risikominimierung des Scale-Up für eine potentielle Kommerzialisierung der elektrochemischen Hydrierung führen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Scott Calabrese Barton; Professor James E. Jackson; Professor Christopher M. Saffron