Die Rolle von Grenzflächen in mehrphasigen Ceroxid-basierten Membranen für den Einsatz in Membranreaktoren

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Stefan Baumann; Professor Dr. Joachim Mayer; Dr. Kerstin Neuhaus
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 387282673

Die Verwendung von katalytisch beschichteten O2-permeablen Membranreaktoren bietet eine energie-effiziente Alternative zu kommerziellen chemischen Syntheseverfahren im Bereich der heterogenen Katalyse. Bei solchen Verfahren wird der für die Umsetzung benötigte Sauerstoff direkt aus der Luft in Form von O2--Ionen durch eine gasdichte dünne keramische Schicht an einen Katalysator transportiert und vereint so Prozessschritte der Luftzerlegung und der chemischen Umsetzung in einem Verfahrensschritt. Da die meisten solcher Synthesen bei Temperaturen zwischen 200 und 500 °C ablaufen, sind Membranen notwendig, die spezifische Sauerstoffpermeationsraten von etwa 1 mlN cm-2 min-1 im relevanten Temperaturbereich aufweisen, um einen signifikanten Umsatz zu gewährleisten. Die Permeation durch eine keramische Sauerstoffpermeationsmembran erfolgt durch Festkörperdiffusion und ist zunächst abhängig von der ambipolaren Leitfähigkeit und der Dicke der Membran, sowie von der prozessbedingt eingestellten Temperatur und dem Sauerstoffpartialdruck-gradienten innerhalb der Membran. Als Material für entsprechende Membranen bieten sich keramische Komposite mit einer vornehmlich sauerstoffionen- und einer elektronenleitenden Komponente an, da diese Materialien einen hohen Sauerstofffluss mit hoher mechanischer und chemischer Stabilität unter Reaktionsbedingungen vereinigen. Allerdings konzentrierten sich Untersuchungen der Membranleistungen bisher auf den Bereich oberhalb von 700 °C. Um eine gute Permeationsrate auch bei den angezielten Temperaturen zu erreichen, muss daher neben der grundlegenden Anpassung der Kompositbestandteile vor allem eine Optimierung der Grenzflächen zwischen den Membranbestandteilen erfolgen, da hier wesentliche Reaktionen stattfinden, die den Sauerstofftransport innerhalb der Membran massiv beeinflussen.Im Rahmen des vorliegenden Projekts möchte sich das Konsortium daher gezielt mit der Untersuchung von chemischen und physikalischen Eigenschaften von Grenzflächen bzw. Transportprozessen an den Grenzflächen innerhalb von akzeptordotierten CeO2-basierten Kompositmembranen mit einer Spinellphase als elektronenleitendem Bestandteil beschäftigen, wobei FeCo2O4 als Ausgangsmaterial dienen soll. Ein genaues Verständnis der Vorgänge an Korngrenzen und Dreiphasengrenzen ist Voraussetzung für die geplante gezielte Optimierung der Werkstoffe für katalytische Anwendungen z.B. durch Mikrostrukturierung bzw. Anpassung der chemischen Zusammensetzung. Die gewählten Komposite dienen dabei als Beispielsysteme für eine Reihe von CeO2-basierten mehrphasigen Verbindungen. Das hier erarbeitete grundlegende Verständnis wird genutzt, um technologisch relevante Permeationsraten bei mittleren Temperaturen zu erzielen und somit dem Konzept Membranreaktor ein breiteres Anwendungsgebiet zu eröffnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen