Verbesserung des katalytischen Recyclings von Kunststoffabfällen durch Multiskalenmodellierung mit detaillierter chemischer Kinetik

• Antragsteller: Dr.-Ing. Bjarne Kreitz
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 551119709

Im Rahmen des Projekts werden Multiskalenmodellierung und automatische Generierung von Reaktionsmechanismen eingesetzt, um eine detaillierte chemische Kinetik für das katalytische Upcycling von Polyethylen (PE)-Abfällen zu entwickeln. PE ist einer der am meisten produzierten Kunststoffe, doch ein umfassendes Recycling mit den derzeitigen Technologien ist schwer durchzuführen und führt ausschließlich zu minderwertigen Material. Dadurch trägt PE erheblich zu Treibhausgasemissionen und umweltbelastenden Kunststoffabfällen bei. Das katalytische Upcycling von PE durch Hydrogenolyse über bifunktionellen Katalysatoren zu einer Reihe möglicher Produkte bietet eine vielversprechende Lösung, um eine profitable Kreislaufwirtschaft aufzubauen. Potenzielle heterogene Katalysatoren wurden bisher durch einen Trial-and-Error-Ansatz entdeckt. Diese produzieren aber eine breite Produktverteilung, welche eine teure Aufarbeitung erfordert. Wir werden im Projekt zum wissensbasierten Katalysatordesign übergehen, indem wir die Mikrokinetik der PE-Hydrogenolyse an bifunktionellen Katalysatoren aufklären. Automatische Mechanismus Generierung wird eingesetzt, um die kinetisch relevanten Pfade aus dem riesigen Raum potenzieller chemischen Reaktionen zu identifizieren. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf der Berücksichtigung der gesamten Morphologie des Katalysators in der automatischen Generierung, welche Metallnanopartikel, Metalloxidträger und Metall/Metalloxid-Grenzflächen beinhaltet. Durch die Implementierung der Mikrokinetik in strukturabhängigen Multiskalenmodellen werden wir kontinuierlich betriebene Hydrogenolysereaktoren entwerfen. Simulationen werden mit kinetischen Experimenten verglichen, die mit definierten Katalysatoren durchgeführt werden, um Struktur-Aktivitäts-Beziehungen zu entschlüsseln. Die Kombinierung von Mechanismus Generierung mit "Scaling Relations" ermöglicht ein automatisches Hochdurchsatz-Screening des komplexen Materialraums, um vielversprechende Katalysatoren zu identifizieren, die dann in Experimenten getestet werden. Durch eine iterative Verbesserung von Mechanismen und Multiskalenmodellen ermöglicht das Projekt ein in-silico Design von optimal funktionierenden Katalysatoren und Reaktoren. Wir werden Verbesserungen in den Grundlagen der Multiskalenmodellierung machen, welche dazu beitragen, die Druck- und Materiallücke zu schließen, was sich enorm auf die Untersuchung aller heterogen katalysierten Reaktionen auswirken wird.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: GC-MS
• Gerätegruppe: 1700 Massenspektrometer