SPP 2080: Katalysatoren und Reaktoren unter dynamischen Betriebsbedingungen für die Energiespeicherung und -wandlung (DynaKat)

Grunddaten zu diesem Projekt

Beschreibung

Im Rahmen der Energiewende stellt die fluktuierende Verfügbarkeit von erneuerbaren Energien wie Wind- und Solarstrom eine der größten Herausforderungen dar. Strom, der an wind- und sonnenreichen Tagen anfällt, kann in Form von chemischen Energieträgern wie Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffen gespeichert werden. Dies erfordert den Einsatz von Katalysatoren, Reaktoren und elektrochemische Zellen unter von außen aufgeprägten dynamischen Reaktionsbedingungen. Der Einfluss dynamischer Bedingungen auf katalytische Reaktionssysteme wurde bislang unterschätzt. Zum einen besteht das Potenzial, durch dynamischen Betrieb die Ausbeute der erwünschten Reaktionsprodukte zu erhöhen und Katalysatoren in Ruhephasen zu reaktivieren. Zum anderen müssen die nanostrukturierten Katalysatoren stabilisiert werden. Hier setzt das vorliegende Schwerpunktprogramm an. Angewandt auf aktuelle Fragestellungen der Energiewende wird in einem interdisziplinären Forschungsprogramm ein grundlegendes Verständnis der mikroskopischen Vorgänge an festen Katalysatoren unter dynamischen Bedingungen und deren Auswirkungen auf Aktivität, Selektivität und Stabilität erarbeitet. In interdisziplinären Verbünden werden dazu grundlegende und methodische Herausforderungen des dynamischen Betriebs in fünf eng verknüpften Themenbereichen untersucht: (A) Charakterisierung mittels „operando“-Methoden, d. h. unter Reaktionsbedingungen, um Feststoffkatalysatoren „bei der Arbeit“ unter dynamischen Bedingungen zu verstehen, (B) vorhersagekräftige theoretische Beschreibung der sich unter dynamischen Reaktionsbedingungen ausbildenden aktiven Phasen und der am Katalysator ablaufender Elementarschritte,(C) Kinetik und Multiskalenmodellierung des Verhaltens von Katalysatoren und Elektroden unter technischen und dynamischen Bedingungen unter Einbeziehung atomarer Informationen,(D) gezielt hergestellte Materialien, um katalytisch aktive Oberflächenstrukturen zu stabilisieren und bei periodischer Reaktionsführung zu untersuchen, (E) neuartige Reaktor- und Elektrolyseurkonzepte für methodische Untersuchungen unter transienten Bedingungen. Der zu erwartende Erkenntnisgewinn soll künftig den effizienten Betrieb katalytischer Systeme unter dynamischen Bedingungen ermöglichen. Das grundlegende Verständnis hierfür wird am Beispiel von Reaktionen zur Energiespeicherung und -wandlung erarbeitet und schafft die Grundlage für zukünftige technische Anwendungen.