Überwachung und Steuerung von Reaktionen in der homogenen Katalyse auf Grundlage von Daten des molekularen Katalysators

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christof Hamel; Privatdozent Dr. Andreas Vorholt
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Technische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 537105915

Gegenwärtig liegen nur wenige Studien zur Katalysatordeaktivierung in der homogenen Katalyse vor. Insbesondere bei Wechsel auf eine erneuerbare, biobasierte Rohstoffbasis mit schwankender Qualität, muss die Katalysatordeaktivierung explizit betrachtet werden. Ein detailliertes Verständnis und eine mathematische Beschreibung der Katalysatordeaktivierung ist die Basis für eine zukünftige Substitution von Rohstoffen in der chemischen Industrie und ermöglicht die zielgerichtete Entwicklung geeigneter rohstoffabhängiger Katalysatorsysteme für nachhaltige, katalysierte, chemische Prozesse. Vor diesem Hintergrund ist das Hauptziel dieses Projekts, ein tieferes Verständnis der Deaktivierungsmechanismen in der homogenen Katalyse herbeizuführen und zu eruieren, wie negativen Effekte auf katalysierte Reaktionen in kontinuierlichen Reaktionsprozessen vermieden oder gezielt modellbasiert beeinflusst werden können. Vier Deaktivierungsmechanismen werden in diesem Projekt im Detail betrachtet: 1) Langzeitdeaktivierung (Alterung), 2) Katalysatorverlust durch Leaching in kontinuierlichen Prozessen, 3) Deaktivierung durch Gas-/Flüssig-Stofftransportlimitierung und 4) Verunreinigungen, u.a. bei Verwendung biobasierter Feeds. Methodisch wird dies durch den Einsatz multispektroskopischer Messungen in Kombination mit chemometrischer Analyse während kinetischer und kontinuierlicher Experimente, einschließlich Katalysatorabtrennung und -rückführung auf Prozessebene, erreicht. Die daraus resultierenden, zeitaufgelösten, molekularen Daten von Katalysatorspezies und Reaktanten werden zur Entwicklung, Reduktion und Parametrisierung neuer mechanistischer kinetischer Modelle der Katalysatordeaktivierung genutzt. Diese Modelle dienen als Grundlage für eine modellbasierte Prozesssteuerung und -optimierung, u.a. durch Katalysatordosierungsstrategien, zur gezielten Stabilisierung und Kontrolle der katalysierten Reaktionen, die in Langzeitversuchen in kontinuierlichen Miniplants validiert werden sollen. Das beantragte Projekt ist deshalb durch einen ganzheitlichen Ansatz zur Identifikation von Deaktivierungsmechanismen, deren Quantifizierung und modellbasierte Steuerung charakterisiert. Ein solcher Ansatz ist bisher in der homogenen Katalyse noch unterrepräsentiert und wird im vorgeschlagen Projekt, wie folgt umgesetzt: a) Durchführung multispektroskopischer Operando-Desaktivierungsstudien inkl. Kombination komplementärer Messtechniken (FTIR, Raman, NMR, GC-MS), b) kinetische Deaktivierungsstudien zu den 4 Deaktivierungsmechanismen im Kurzzeit-Batch- und kontinuierlichem Langzeit-Dauerbetrieb unter Anwendung der Prozessdynamik (Perturbationen), c) mechanistische kinetische Modellierung der Deaktivierung zur Vorhersage von Katalysatordosierungsstrategien, d) Validierung von Dosierungsstrategien in Langzeitversuchen in kontinuierlich betriebenen Miniplant-Kampagnen und e) Gesamtprozesssimulation/-steuerung zur Bewertung von Strategien zur Reduktion der Katalysatordeaktivierung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Martin Gerlach