Gasphasenkatalyse

Im Forschungsschwerpunkt „Gasphasenkatalyse“ wird im Institut für Physikalische Chemie vor allem die Hydrierung von Kohlenstoffdioxid zu Methan untersucht. Diese Untersuchungen basieren auf dem Power-to-Gas Konzept (Abb. 1). In diesem Konzept wird überschüssige Energie aus regenerativen Quellen mithilfe der Wasserelektrolyse gespeichert. Der entstandene Wasserstoff wird durch Kohlendioxid zu Methan, welches ein sehr geeigneter Energiespeicher für das Erdgasnetzwerk ist, umgesetzt. Das Ziel der Arbeit im Institut ist einen besonders aktiven, selektiven und gleichzeitig stabilen Katalysator für die CO₂-Methanisierung zu finden. Dabei wird ein Augenmerk auf nickelhaltige Verbindungen gelegt, da diese Proben eine hohe Aktivität in der CO₂-Hydrierung aufweisen. Als Trägermaterial wird häufig ein Hydrotalcit-basiertes Mischoxid aus Aluminium- und Magnesiumoxid genutzt. Vorteile dieses Systems sind dessen hohe spezifische Oberfläche, eine hoch disperse Verteilung der aktiven Nickelzentren und die Variation der Basizität des Trägermaterials. Diese Katalysatoren werden per Cofällung (Abb. 2) oder Imprägnierung synthetisiert. Daran schließt sich eine umfangreiche, vielseitige Charakterisierung der Katalysatoren an. Die Probenzusammensetzung werden durch die XRD und die XPS, die spezifische Oberfläche durch die BET und das Reduktionsverhalten durch die TG-DSC analysiert. Mit einer Reduktionsapparatur werden die Proben reduziert. Die so erhaltenen Proben werden in einem Katalysatorteststand mit einem Gaschromatograph hinsichtlich ihrer Leistung untersucht (Abb. 3). Diese Leistung wird anhand des Umsatzes der Edukte Wasserstoff und Kohlendioxid und anhand der Ausbeute bzw. der Selektivität des Produkts Methan beurteilt. Die Untersuchungen finden in Abhängigkeit von der Temperatur, vom Druck und von der Eduktzusammensetzung statt. Zusätzlich werden in-situ Methoden wie DRIFTS zur Untersuchung des Reaktionsmechanismus der CO₂-Methanisierung verwendet.

Themen für Graduierungsarbeiten:

Für interessierte Studierende können laufend Themen für Studien-, Bachelor- und Master/Diplomarbeiten individuell vereinbart werden.

Ausgewählte Veröffentlichungen:

• N. Bette, J. Thielemann, M. Schreiner, F. Mertens, ChemCatChem 2016, 8, 2903. https://doi.org/10.1002/cctc.201600469
• P. Völs, S. Hilbert, B. Störr, N. Bette, A. Lißner, J. Seidel, F. Mertens, Ind. Eng. Chem. Res. 2021, 60, 5114. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c00028

Ansprechpartner

• Prof. Dr. Florian Mertens (E-Mail)
• Dr. Pit Völs (E-Mail)

Abbildungen