Ammoniak vor Ort: Trennung der Ladungserzeugung von der N2-Reduktion im Dunkeln an maßgeschneiderten TiO2-Aerogelen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Roland Marschall; Professorin Dr. Barbara Milow; Professor Dr. Dirk Ziegenbalg
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 501591928

In diesem Projekt werden wir auf unseren bisherigen Arbeiten aufbauen, um das Konzept eines nachhaltigen und kostengünstigen Verfahrens zur Erzeugung von Ammoniak vor Ort systematisch zu untersuchen. Wir konnten nachweisen, dass hohe Mengen an durch Sonnenlicht geladenen Elektronen in synthetisch hergestellten TiO₂-Aerogelen genutzt werden können, um N₂ im Dunkeln zu Ammoniak zu reduzieren, und haben zudem Reaktionsparameter und Reaktorkonzepte zur Optimierung dieses Prozesses untersucht. Wir werden nun synthetische Variationen von TiO₂-Aerogelen erforschen, um die Effizienz der Photoladung und der NRR-Prozesse im Dunkeln zu verbessern. Die Aerogele werden mit anderen Nanostrukturen, wie TiO₂-Nanofasern, verglichen. Es werden insbesondere hybride und hierarchische Aerogele eingesetzt, während zudem Dotierungs- und Upscaling-Strategien untersucht werden. Darüber hinaus werden wir unser Reaktorkonzept weiterentwickeln, da es sich bereits als ideal für die Trennung der Lichtabsorption und TiO₂-Photoaufladung von NRR im Dunkeln erwiesen hat. Die Erkenntnisse aus dem von uns entwickelten Kapillarreaktor werden hier genutzt, um die Effizienz der Lichtnutzung zu verbessern und die Gerätekosten zu minimieren. Wir werden die Verwendung eines oszillierenden Flachbettreaktors untersuchen, um die photonische Effizienz der Photoladung zu erhöhen. In der Zwischenzeit werden die Prozessbedingungen systematisch untersucht und mit Hilfe von Modellierungsunterstützung optimiert. Auf Grund vielversprechender vorläufiger Ergebnisse werden wir auch die Gasphasen-Photoaufladung/NRR mit Prozessen in der Flüssigphase vergleichen. Alle Materialien werden im Hinblick auf die Bedingungen für die Photoaufladung und die NRR im Dunkeln, die Wellenlängen- und Temperaturabhängigkeit sowie die Verwendung von organischen Abfallstoffen als Lochfänger sorgfältig charakterisiert. Darüber hinaus werden TiO₂-Nanofasern durch Elektrospinnen hergestellt und mit Aerogelen verglichen. Photoelektrochemische Untersuchungen werden den Einfluss der Nanostruktur auf die Photoaufladung und die katalytische Leistung näher beleuchten. In der letzten Phase des Projekts werden wir versuchen, N₂ und CO₂ gleichzeitig im Dunkeln zu Harnstoff zu reduzieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2370: Verknüpfung von Katalysatoren, Mechanismen und Reaktorkonzepten für die Umwandlung von Distickstoff durch elektrokatalytische, photokatalytische und photoelektrochemische Methoden ("Nitroconversion")