Integration von Polyoxometallat-Einzelatom-Katalysator-basierten (Photo-)Elektroden in Durchflussreaktoren zur reduktiven und oxidativen Stickstoff-Aktivierung

• Antragsteller: Professor Dr. Carsten Streb; Professor Dr. Dirk Ziegenbalg
• Fachliche Zuordnung: Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 501934135

Dieses Projekt entwickelt photoelektrochemisch angetriebene Reaktoren als Alternativkonzepte vor, die in der Lage sind, die Stickstoff-zu-Ammonium-Reduktionsreaktion (NRR) und die Stickstoff-zu-Nitrat-Oxidationsreaktion (NOR) zu koppeln, was zu autonomen Durchfluss-Photoreaktoren für die Ammoniumnitratproduktion aus Stickstoff, Wasser, Sonnenlicht und nachhaltigem Strom führt. Das Projekt kombiniert Konzepte der neuartigen Katalysatorsynthese und der stabilen Elektrodenabscheidung bis hin zum Reaktordesign und der Material-in-Reaktor Integration. Das Projekt kombiniert Expertise in Metalloxid-Katalysatoren und (Photo-)Elektrodenfunktionalisierung (Streb) mit Expertise in Reaktionstechnik, Massentransportoptimierung und Photoreaktordesign (Ziegenbalg). In der ersten Förderperiode (36 Monate) wird das Projekt edelmetallfreie Single-Atom-Katalysatoren (SACs, ein Metall-Reaktionszentrum) und Single-Site-Katalysatoren (SSCs, zwei Metall-Reaktionszentren) entwickeln, die an molekularen Metalloxiden (Polyoxometalaten, POMs) verankert sind. Die Variation der SAC/SSC-Metallstellen ermöglicht die Steuerung der NRR/NOR-Leistung, während die POM-Verankerung eine stabile, gut definierte Oxid-Koordinationsumgebung bietet. Die Abscheidung dieser molekularen Vorstufen auf (Photo-)Elektroden mit hoher Porosität wird durch nasschemische, mikrowellen- oder hydrothermale POM-Umwandlung in Festkörperoxide erreicht, um eine stabile mechanische und elektrische Verbindung zwischen Katalysator und Elektrode zu ermöglichen. Die Integration der Elektroden in 3D-gedruckte Durchfluss-Photoreaktoren ermöglicht eine rasche Herstellung von Prototypen und eine schnelle Anpassung der chemischen und reaktionstechnischen Anforderungen. Die Systeme werden durch in situ/operando (photo-)elektrochemische Studien und - in Kooperation - durch theoretische Modellierung untersucht. Dies wird Einblicke von der atomaren bis zur Reaktorebene in die katalytische Leistung und ihre Grenzen liefern und uns in die Lage versetzen, wichtige Optimierungsparameter zu ermitteln. Die erste Förderperiode konzentriert sich auf die Untersuchung von NRR und NOR in Halbzellenaufbauten für mechanistische Untersuchungen und Materialdesign/-optimierung, während die zweite Förderperiode auf integrierte Vollzellen-Photoreaktoren ausgerichtet ist. Insgesamt werden in diesem Projekt Durchfluss-Photoreaktoren für die dezentrale Ammoniumnitratproduktion ausgehend von molekularem Stickstoff entwickelt. Dabei werden modernes Materialdesign, fortschrittliche Elektrodenherstellung und Reaktionstechnik eingesetzt, um die Herausforderungen von der molekularen bis zur Reaktorebene anzugehen.

• 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")