Strukturdynamik und Operando-Analyse von nanostrukturierten Oxidelektroden für die photoelektrochemische Umwandlung von 5-Hydroxymethylfurfural in 2,5 Furandicarboxylsäure

• Antragsteller: Dr.-Ing. Balakrishnan Munirathinam, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 564650072

Jedes Jahr werden 500 Milliarden Flaschen aus Polyethylenterephthalat (PET) hergestellt, wofür 1,9 kg Rohöl pro Kilogramm PET benötigt werden. Die Erschöpfung der fossilen Brennstoffe unterstreicht die Dringlichkeit des Übergangs zu nachhaltigen Alternativen. Polyethylen-2,5-Furandicarboxylat (PEF), das aus lignozellulosehaltiger Biomasse gewonnen wird, bietet einen erneuerbaren Ersatz für erdölbasierte Terephthalsäure. PEF weist im Vergleich zu PET eine höhere mechanische Festigkeit und eine bessere Gasbarriere auf, was es ideal für Verpackungsanwendungen macht. Ein umweltfreundlicher Weg zur Herstellung von PEF besteht in der Umwandlung von 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) in 2,5-Furandicarbonsäure (FDCA), einem wichtigen Ausgangsstoff für PEF. Die Photoelektrokatalyse, bei der Sonnen- und elektrische Energie kombiniert werden, erhöht die katalytische Effizienz und verringert gleichzeitig den Energiebedarf, was sie zu einem umweltfreundlichen Ansatz macht. Die photoelektrokatalytische Umwandlung von HMF in FDCA ist eine vielversprechende Methode, um die grüne Chemie voranzubringen, indem fossile Rohstoffe durch erneuerbare Alternativen ersetzt werden. In dieser Studie wird die photoelektrokatalytische Umwandlung von HMF in FDCA unter Verwendung anodischer nanostrukturierter Oxide als Photoanoden untersucht. Diese Materialien - Titanoxid, Eisenoxid, Wolframoxid und gemischtes Titan-Eisenoxid - werden durch Anodisierung mit und ohne Modifikation von Co-Katalysator-Nanopartikeln hergestellt. Nanostrukturen, insbesondere Nanoröhren mit kreisförmiger Morphologie, erhöhen die Lichtabsorption, und Co-Katalysatoren mit schmalen Bandlücken verbessern die Fotoaktivität weiter. Im Rahmen der Forschung werden die Anodisierungsparameter - Zeit, Spannung, Temperatur und Elektrolytzusammensetzung - sowie die Glühbedingungen optimiert, um leistungsstarke Photoanoden zu erhalten. Diese Bedingungen werden auf ihre Auswirkungen auf Morphologie, Kristallinität, Bandlücke und Photoaktivität untersucht. Operando-Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) und elektrochemische Tests werden Einblicke in die Reaktionskinetik und die Zwischenwege geben und ein detailliertes Verständnis des Umwandlungsmechanismus ermöglichen. Ziel ist die Entwicklung fortschrittlicher nanostrukturierter Heterokatalysatoren für eine effiziente Umwandlung von HMF in FDCA, die eine nachhaltige Polymerproduktion ermöglicht. Durch die Ersetzung von Erdölrohstoffen durch erneuerbare, aus Biomasse gewonnene Alternativen soll dieses Projekt die Umweltauswirkungen verringern und die Grundsätze der Kreislaufwirtschaft fördern. Diese Forschung unterstützt die weltweiten Bemühungen um die Eindämmung des Klimawandels und den Übergang zu nachhaltigen Materialien.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Kooperationspartnerin: Dr. Marta Michalska--Domanska