Gas-Reaktor für in situ Untersuchungen von Photokatalyse- und Energiekonversionsprozessen

• Fachliche Zuordnung: Physik der kondensierten Materie ; Physikalische Chemie
• Förderung: Förderung in 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 519099854

Die Folgen der Erderwärmung bedrohen heute unser tägliches Leben. Innovative Lösungen zur Reduktion klimaschädlicher Industrie- und Abgase wie CO2 und CH4 müssen gefunden werden. Gleichzeitig muss schnellstmöglich eines der Hauptprobleme bei der Umsetzung der Energiewende gelöst werden: die mangelnde Speicherbarkeit von regenerativer Energie. Ein vielversprechender Lösungsansatz für beide Themen ist die Umwandlung von Industrie- und Abgasen (CO2, CH4, H2, CO) mittels regenerativer Energie in speicher- und transportfähige Wert- und Brennstoffe (energiereiche Kohlenwasserstoffe wie z.B. Methanol CH3OH, Ethanol C2H5OH). Die rein thermische bzw. elektrische Zuführung von Aktivierungsenergie führt in der Regel jedoch nicht zu den gewünschten Reaktionspfaden. Ein vielversprechender Lösungsweg ist, die Prozesse zusätzlich mit Licht bzw. mit Licht und Katalysatoren (Photokatalysatoren) zu steuern. Allerdings sind gegenwärtig die grundlegenden Zusammenhänge der komplexen Reaktionen noch nicht ausreichend verstanden und weiterführende Forschungen notwendig.Mit der beantragten Infrastruktur wird die innovative Möglichkeit geschaffen, die am IAP (AG Nolte/Ackermann) etablierte Ramanspektroskopie, insbesondere fs-CARS, zur Lösung offener Fragen bei der Photokatalyse zu nutzen. CARS-Messungen ermöglichen in situ, mit hoher Dynamik und Ortsauflösung, Temperatur und Konzentration der beteiligten Gase gleichzeitig zu bestimmen und versprechen damit extreme Vorteile bei der detaillierten Aufklärung der Zwischenschritte bei den komplexen Umwandlungsreaktionen. Deshalb soll am IAP ein entsprechend angepasster Gas-Reaktor beschafft werden, der neben der Messung des Ramansignals unter den tatsächlichen Prozessbedingungen (in operando) gleichzeitig flexible Möglichkeiten der Lichtanregung verschiedener Photokatalysatoren und den Gasgemischen ermöglicht.Zur quantitativen Einordnung der Ergebnisse auch im internationalen Vergleich ist es notwendig, die Anlage, um ein Standardmessverfahren zur Bestimmung von Gaskonzentrationen und Umwandlungsgeschwindigkeiten zu erweitern. Der Aufbau soll deshalb mit einem Gaschromatographen versehen werden, um Reaktionsprodukte höchstpräzise zu bestimmen.Mit Hilfe der beantragten Gravitationswaage kann die Sorption der Reaktionsgase auf den Photokatalysatoren bestimmt werden, was zur umfassenden, quantitativen Charakterisierung der beteiligten Stoffe notwendig ist.Insbesondere werden folgende Themen adressiert:• Entwicklung der in situ fs-CARS-Spektroskopie zur Untersuchung photokatalytischer Reaktionsprozesse• Chromatographische Untersuchung dieser Prozesse in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Anregungslichts (Wellenlänge, Pulslänge, Pulsfrequenz, Intensität, …)• Entwicklung, Herstellung und Optimierung hocheffizienter Photokatalysatoren mit steuerbarer Selektivität• Simulation von gasphasenbasierten Photokatalysereaktionen auf Grundlage der verbesserten Datenbasis zur mechanistischen Aufklärung und Optimierung der Prozesse.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Gas-Reaktor für in situ Untersuchungen von Photokatalyse- und Energiekonversionsprozessen
• Gerätegruppe: 1100 Gasentwicklungsgeräte, Vergasungsanlagen
• Antragstellende Institution: Friedrich-Schiller-Universität Jena
• Leiter: Professor Dr. Stefan Nolte