PROPHECY

Das Projekt PROPHECY – PROzesskonzepte für die PHotokatalytische CO2-Reduktion verbunden mit LifE-CYcle-Analyse (033RC003) – wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Förderlinie CO2Plus (www.chemieundCo2.de) für einen Zeitraum von drei Jahren gefördert. Das Projekt ist eine Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Michael Wark, Universität Oldenburg, Dr. Andreas Patyk, ITAS am Karlsruher Institute für Technologie, und Prof. Dr. Reinhard Schomäcker, TU Berlin.

In unseren früheren Studien (BMBF-Projekt PhotoKat, 033RC1007A, Oktober 2010 bis März 2016) wurde eindeutig gezeigt, dass ein Reaktionsgasgemisch aus CO2 und H2O allein auf kommerziellen Photokatalysatoren wie ZnO oder TiO2 sehr wenig reaktiv ist. Es ist folglich erforderlich, komplett neue Prozesse und Photokatalysatoren für die CO2-Reduktion zu entwickeln. In PROPHECY erforscht die Gruppe von Michael Wark deswegen die Entwicklung und Optimierung neuer Photokatalysatorstrukturen und Materialien, während die AG Strunk alternative Prozessbedingungen unter Zusatz regenerativer Additive testet. Die Gruppe von Reinhard Schomäcker untersucht das photokatalytische Trockenreformieren von Methan (CH4 + CO2, möglicherweise Biogas) und das Aufskalieren des photokatalytischen Reaktors. Des Weiteren stellen Andreas Patyk und seine Gruppe Nachhaltigkeitsbetrachtungen zu den neu entwickelten Katalysatoren und Reaktionsbedingungen an, um die Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten schon früh im Hinblick auf ökologische und ökonomische Sinnhaftigkeit hin zu lenken.

Teilprojekt Prozessbedingungen (Strunk)

Die zentrale Frage, der in diesem Teilprojekt nachgegangen wird, ist die Möglichkeit des Zusatzes reaktiverer Additive zum Reaktionsgasgemisch mit dem Ziel der Erhöhung der Ausbeuten und der Beeinflussung der Produktverteilung, z.B. hin zu völlig anderen Produkten oder längeren Kohlenstoffketten. Es ist ein wichtiger Aspekt, dass alle Additive, die in diesem Teilprojekt betrachtet werden, im Prinzip aus regenerativen Quellen zugänglich sind. In dieser Hinsicht wird die Verwendung von Wasserstoff aus der Wasserelektrolyse mit Wind- oder Sonnenenergie, sowie der Zusatz von Bioethanol und anderer Substanzen getestet. Der hochreine Gasphasenphotoreaktoraufbau wird für diese Studien eingesetzt, so dass die Produktverteilung bis hin zu den geringsten Spurenkomponenten aufgeklärt werden kann.

Teilprojekt Katalysatorentwicklung (Wark)

Die AG Wark beschäftigt sich mit neuen Synthesewegen und neuen Strukturen bekannter Photokatalysatoren wie TiO2 und ZnO, entwickelt aber auch komplett neue Materialien (z.B. Titanate), insbesondere mit dem Ziel der Nutzung eines größeren Teils der Sonnenenergie. Wann immer möglich, werden häufig vorkommende und gut verfügbare Materialien verwendet. Es ist das Ziel, einfach aufskalierbare Synthesemethoden zu entwickeln, die sich prinzipiell für den industriellen Maßstab eignen. Verbunden mit der Materialsynthese ist auch die Identifikation und Optimierung entscheidender struktureller und elektronischer Eigenschaften, beispielsweise Porosität und Ladungstransfereigenschaften, sowie das Ableiten ihrer Bedeutung für den photokatalytischen Prozess.

Teilprojekt Nachhaltigkeitsbetrachtungen (Patyk)

Photokatalytische CO2-Reduktion funktioniert wie jeder andere chemische Produktionsprozess, nicht abgeschlossen für sich allein. Stattdessen sind eine Reihe von Vor- und Nachbehandlungsschritten erforderlich, Ressourcen müssen eingesetzt werden, und Abfälle fallen an. Im Moment ist es noch unbekannt, ob ein solcher Prozess, von dem oft behauptet wird ein „CO2-Recycling“ zu ermöglichen, tatsächlich ökologisch und ökonomisch sinnvoll ist wenn alle vor- und nachgeschalteten Prozesse mit betrachtet werden. Die Gruppe von Dr. Andreas Patyk beschäftigt sich in Nachhaltigkeitsbetrachtungen mit dieser Frage, um herauszufinden, welche Mengen nützliches Produkt unter bestimmten Reaktionsbedingungen erhalten werden müssen, um den Prozess sinnvoll und nachhaltig zu gestalten. Die frühe Einbeziehung von Nachhaltigkeitsbetrachtungen ins Gesamtprojekt erlaubt die kontinuierliche Beeinflussung und Umlenkung der F&E in nutzbringende Richtungen.

Teilprojekt Prozessbedingungen (Schomäcker)

Dieses Teilprojekt konzentriert sich auf zwei Hauptaspekte. Der erste Teil des Projektes ist die Untersuchung des Mechanismus der photokatalytischen Trockenreformierung von CO2 und Methan. Die Reaktionsbedingungen werden in einem weiten Bereich von Parametern katalytischer und photokatalytischer Reaktionen variiert, um den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Reaktion und die wichtigsten Zwischenprodukte zu identifizieren. Der zweite Teil konzentriert sich auf die Übertragbarkeit der Ergebnisse und der Reaktionsbedingungen vom Labormaßstab bis zur großtechnischen Anwendung.