Langzeitstabile, Co-basierte Katalysatoren für die mit Lastwechseln betriebene Sabatierreaktion

• Antragsteller: Professor Dr. Marcus Bäumer; Professor Dr.-Ing. Lutz Mädler; Professor Dr.-Ing. Jorg Thöming
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Mechanische Verfahrenstechnik ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Technische Chemie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406935056

Regenerativ erzeugte elektrische Energie lässt sich chemisch in Form von Wasserstoff speichern, jedoch nur bedingt bevorraten. Dieses Problem kann die Methanisierung des Wasserstoffs durch die heterogen katalysierte Sabatierreaktion lösen. Bislang wird dieser katalytische Prozess in Rohrreaktoren stationär betrieben und ist in dieser Betriebsweise sehr gut verstanden. Oft fallen die Wasserstoffmengen fluktuierend an. Lastwechsel in großtechnischen katalytischen Prozessen werden jedoch gegenwärtig generell vermieden. Abnehmende Volumenströme beispielsweise führen bei der exothermen Reaktion zu Temperaturspitzen im vorderen Bereich des Katalysatorbetts. Diese können - insbesondere bei nicht hinreichendem radialen Wärmetransport in technischen Reaktionsrohren von 25 mm Durchmesser - zu thermischer Deaktivierung durch Versinterung führen. Ziel des Projekts ist es, einerseits geträgerte, Kobalt-basierte Katalysatoren zu entwickeln, die bei der Methanisierung auch unter instationären Lastwechsel-Bedingungen hochaktiv sind und zugleich langzeitstabil. Andererseits soll der Einfluss von Dotierungen auf der Nanometerebene ebenso verstanden werden wie die Zusammenhänge zwischen raum-zeitlichen Änderungen lokaler Parameter bei Stoffmengenstrom-Fluktuationen. Zur Herstellung der verwendeten Co-Katalysatoren mit hoher Aktivität, Selektivität und Stabilität soll die sog. Flammensprühpyrolyse zum Einsatz kommen. Dabei soll ein asymmetrischer Doppelflammenansatz untersucht werden, bei dem Katalysator und Träger unabhängig voneinander in zwei Flammen erzeugt werden und der es erlaubt, eine hohe Vielfalt an Materialsystemen strukturell kontrolliert und reproduzierbar herzustellen. Zur raum-zeitlich aufgelösten Quantifizierung der Reaktionen in einem mit Lastwechseln betriebenen Rohrreaktor sollen operando MRI Methoden zum Einsatz kommen, für die Messmethoden so weiterentwickelt werden, dass die den Reaktorbetrieb im Tomographen auch bei 350 °C erlauben.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2080: Katalysatoren und Reaktoren unter dynamischen Betriebsbedingungen für die Energiespeicherung und -wandlung