Katalysatoren für kontrollierte Kaskadenreaktionen

01.04.2019 - Deutschland

Kohlendioxid oder Stickoxide in nützliche oder ungiftige Stoffe umzuwandeln ist schwierig. Wolfgang Schuhmann will Wege finden und wird dabei von der EU unterstützt.

Aus schädlichen Gasen im industriellen Maßstab nützliche Basischemikalien herstellen will Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann mit neuartigen Katalysatoren. Für dieses Vorhaben bekommt der Inhaber des Lehrstuhls für Analytische Chemie der Ruhr-Universität Bochum (RUB) einen Advanced Grant des European Research Council (ERC). Die Förderung beträgt 2,5 Millionen Euro für fünf Jahre.

Reaktionskette verläuft normalerweise nicht nach Wunsch

Die elektrochemische Umwandlung von CO₂ oder Stickoxiden in nützliche oder ungiftige Folgeprodukte beruht auf einer komplexen Reihe von Reaktionen. Manche davon benötigen mehr Energie, andere weniger. „Die Chemie entscheidet sich immer für den energetisch günstigsten Weg“, erklärt Wolfgang Schuhmann, Mitglied des Exzellenzclusters Ruhr Explores Solvation, kurz Resolv. Daher läuft die Reaktionskette nicht nach Wunsch ab, und es entstehen unterschiedlichste Produkte, nicht nur das, welches man gerne hätte.

Hinzu kommt, dass CO₂ in Flüssigkeiten nur schlecht löslich ist. In herkömmlichen elektrochemischen Zellen kann man deswegen keine industriell bedeutsamen Mengen CO₂ umsetzen.

Ein Kontaktort für drei Phasen

Abhilfe sollen spezielle mit Katalysatoren modifizierte Elektroden schaffen, die Wolfgang Schuhmann in seinem ERC Grant designen will. Sie beruhen auf einem leitfähigen Vlies, das einseitig teflonbeschichtet und somit nicht wasserdurchlässig, aber gasdurchlässig ist. Eingebettet in das Vlies sind verschiedene Katalysatorpartikel. Während von der wasserdichten Seite her das Gas in das Vlies gelangt, wird es von der anderen Seite befeuchtet. „So entsteht im Vlies ein Ort, an dem alle drei Bestandteile – Gas, Flüssigphase und Katalysator – miteinander in Kontakt treten“, erklärt Schuhmann.

Partikel mit bestimmter Ordnung

Durch eine definierte relative Orientierung der verschiedenen Katalysatorpartikel in diesen sogenannten Gasdiffusionselektroden sollen nur die gewünschten Reaktionen in der gewünschten Reihenfolge stattfinden, sodass schließlich das gewünschte Produkt entsteht, zum Beispiel unschädlicher Stickstoff aus Stickoxid. Alle möglichen Seitenpfade unerwünschter Reaktionen sollen damit unterbunden werden.

Ziel des ERC-Projekts ist es, das Design kooperierender Katalysatoren für selektive Kaskadenreaktionen zu verstehen und ihre Funktion zu demonstrieren. Im Zentrum der Forschung steht die Herstellung von Basischemikalien durch CO₂-Reduktion und die Luftreinigung von Stickoxiden.

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