Heterogene Photokatalyse

Dr. Tim Peppel

Es ist bereits bekannt, dass die photokatalytische Reaktion von CO₂ und H₂O zu Produkten wie Methan und Kohlenmonoxid grundsätzlich möglich ist. Die erzielbaren Ausbeuten sind jedoch für eine industrielle Anwendung viel zu gering, und es fehlen noch immer tiefgreifende Einblicke in den Reaktionsmechanismus.

Unsere Arbeit konzentriert sich insbesondere auf die Durchführung zuverlässiger, reproduzierbarer experimenteller Versuche zu photokatalytischen Reduktionsreaktionen als Grundlage für die Aufklärung der mechanistischen Details des Reaktionswegs. Ein zentrales Problem, das es zu berücksichtigen gilt, ist beispielsweise der vollständige Ausschluss von Kohlenwasserstoffverunreinigungen in jedem Reaktorsystem: Da CO₂ ein thermodynamisch äußerst stabiles Molekül ist, würden Verunreinigungen – beispielsweise Lösungsmittelrückstände aus der Katalysatorsynthese oder Ausgasungen aus gefetteten Verbindungsstücken – schneller zu (scheinbaren) Produkten reagieren als das CO₂ selbst. Die Ausbeuten würden dann überschätzt und es würden falsche Schlussfolgerungen hinsichtlich der Produktverteilung gezogen.

Daher betreiben wir einen hochreinen Gasphasen-Photoreaktor, der ausschließlich aus Bauteilen besteht, die für den Einsatz in Hochvakuumanlagen geeignet sind. Alle Verbindungsstücke sind fettfrei, und es werden, soweit möglich, Metalldichtungen verwendet. Die Gasversorgung enthält ausschließlich Gase von höchster verfügbarer Reinheit. In Kombination mit einer hochmodernen Spurengasanalyse mittels eines Gaschromatographen, der mit einem Barriereentladungs-Ionisationsdetektor (BID) ausgestattet ist, können wir das gesamte Produktspektrum der Reaktion mit einer Nachweisgrenze von ~0,1 ppm charakterisieren. Unser Reaktor, der sowohl im Batch- als auch im Durchflussbetrieb betrieben werden kann, bietet eine ideale Grundlage für die Untersuchung des Einflusses von Reaktionsbedingungen oder Additiven auf Ausbeuten und Produktselektivität.

Es ist allgemein bekannt, dass auf verschiedenen TiO₂-Materialien Methan stets das Hauptprodukt ist. Kohlenmonoxid, das als Nebenprodukt entsteht, ist kein Zwischenprodukt auf dem Weg zu Methan. Stattdessen erfordert die Bildung von Methan die zwischengeschaltete Bildung von C-C-Bindungen, was möglicherweise zu Zwischenprodukten wie Essigsäure und Acetaldehyd führt. Jedes potenzielle C1-Zwischenprodukt (z. B. Methanol, Ameisensäure) wird vorzugsweise oxidiert oder abgebaut, anstatt zu Methan weiterzureagieren. In den letzten zehn Jahren haben wir die Eignung unseres Konzepts hochreiner Photoreaktoren für photokatalytisch getriebene Reduktionsreaktionen erfolgreich nachgewiesen. So waren beispielsweise die beiden BMBF-Projekte PROPHECY und PRODIGY auf dieses Ziel ausgerichtet. Wir waren Teil eines Konsortiums, das die Entwicklung alternativer Katalysatoren und Prozessbedingungen zum Ziel hatte, um die Ausbeuten um mehrere Größenordnungen zu steigern. Die Forschungs- und Entwicklungsprojekte werden mit Nachhaltigkeitsaspekten kombiniert, um Forschung und Entwicklung frühzeitig auf ökologische und wirtschaftliche Machbarkeit auszurichten.

Die aktuellen Forschungsschwerpunkte liegen auf der Anwendung von Halbleiter-Metall-Nanosternen bei Mehr-Elektronen-Reduktionsreaktionen. Darüber hinaus konzentrieren wir uns auf die lichtvermittelte Erzeugung von Oxalat unter Bedingungen höchster Reinheit in unserem Reaktorsystem.