Unser Ziel ist es, innovative katalytische Materialien zu entwickeln, ihre physikalisch-chemische Struktur und ihr Verhalten zu verstehen und Anwendungen solcher Materialien in der nachhaltigen chemischen Synthese, der Verringerung der Umweltverschmutzung und der Umwandlung sauberer Energie zu erforschen.

Unser Forschungsprofil stützt sich auf die drei klassischen "Säulen" der heterogenen Katalyse: (i) Synthese von katalytischen Materialien und Trägern, (ii) Charakterisierung von Katalysatoren mit einer Reihe von physikalisch-chemischen Methoden, (iii) Testung der katalytischen Leistung. Unsere Sichtweise auf jeden dieser Bereiche wird im Folgenden kurz dargestellt.

  • Synthese: Die Entwicklung und Synthese innovativer poröser Materialien ist ein Schwerpunkt der Gruppe. Solche nanostrukturierten Materialien können von einzelnen Kristallen oder Partikeln (z. B. Zeolithen) bis hin zu großflächigen strukturierten Körpern bzw. monolithischen Materialien reichen. Komplexe strukturierte Materialien, einschließlich hierarchischer poröser Systeme, sind von besonderem Interesse.
  • Charakterisierung: Unser Fachwissen reicht von der klassischen physikalischen Messung von Diffusionseigenschaften (z.B. Sorption, Porosimetrie) über Spektroskopie und Beugung (z.B. IR, XRD) bis hin zu ortsaufgelöster Mikroskopie und verwandten Methoden (z.B. TEM). Wir wollen insbesondere das Charakterisierungspotenzial der Synchrotronstrahlung und der damit verbundenen Röntgenanalytik erforschen, die ein leistungsstarkes und flexibles Instrument zum Verständnis der Katalysatorstruktur bietet. Chemische Kontrastverfahren wie XAS, XRF oder XRD können mit 3D-Abbildungsmethoden über Tomographie kombiniert werden, um tiefgreifende strukturelle Kenntnisse über Katalysatoren und Funktionsmaterialien von der Makro- bis zur Nanoskala zu erhalten.
  • Testung: Wir erforschen katalytische Anwendungen in Bereichen, die von der nachhaltigen chemischen Umwandlung (z.B. selektive Oxidation) über die Verringerung der Umweltverschmutzung (z.B. Emissionskontrolle) bis hin zur Speicherung und Umwandlung chemischer Energie (z.B. Power-to-X) reichen. Die In-situ-/Operando-Methodik ist von besonderem Interesse, um die Struktur von Katalysatoren und funktionellen Materialien mit ihrem katalytischen Verhalten zu verknüpfen.

Unsere Forschungsprojekte

Die Nutzung von CO2 zur Bewältigung der globalen Erwärmung ist von großem Interesse und wird in Zukunft sogar eine unersetzliche Rolle spielen. Verschiedene Methoden, wie die Power-to-X Technologie (P2X), ermöglichen die Nutzung erneuerbare Ressourcen zur stofflichen Umwandlung von CO2 in Kraftstoffe für unterschiedlichste Anwendungen. Die Entwicklung poröser Materialien für eine hohe CO2-Aufnahme sowie die Beladung mit verschiedenen katalytisch aktiven Spezies für die Umwandlung von COin nutzbare Stoffe, wie z.B. Methan, soll dazu beizutragen. Dabei sollen die Katalysatoreigenschaften für langfristige Stabilität, Effizienz und hoher Selektivität der gewünschten Produkte entwickelt werden. Hierfür werden z.B. hierarchische, poröse Aluminiumoxide verwendet und auch die Herstellung von rissfreien Monolithen bis in den cm-Bereich untersucht und mit einer Vielzahl katalytisch aktiver Spezies für die CO2-Hydrierung beladen. Die Materialien werden mit fortschrittlichen Analysemethoden, wie TEM-Tomographie, H2-TPR oder XRM charakterisiert, um Materialeigenschaften und z.B. Diffusionsprozesse zu untersuchen und zu verstehen. In einer eigenen Anlage zur CO2-Hydrierung können anwendungsorientierte Prozesse, Technologietransformation und neue Versuchskonzepte durchgeführt und getestet werden.

Neue Siliziumdioxid-Trägermaterialien, die eine hierarchische Porenstruktur aufweisen, werden synthetisiert und charakterisiert, und ihre Eignung für die Anwendung in der Organokatalyse wird geprüft. Die hierarchischen Porensysteme mit einstellbarer Porenbreite werden durch pseudomorphe Umwandlung erzeugt. Diese Materialien werden mit Standardmethoden wie Stickstoffsorption, Röntgenpulverdiffraktometrie und Rasterelektronenmikroskopie sowie mit fortgeschrittenen Methoden wie der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) charakterisiert. Darüber hinaus werden die Materialien für die Immobilisierung von Organokatalysatoren, Enzymen und anderen Stoffen verwendet und auf ihre katalytische Aktivität und den Einfluss verschiedener Porengrößen untersucht.

zur Vergrößerungsansicht des Bildes: Sol-Gel Synthese von Large Pore Mesoporous Silica (Autor: M. Gebauer)
Sol-Gel Synthese von Large Pore Mesoporous Silica (Autor: M. Gebauer)

Stickstoffoxid (N2O), ein unvermeidliches Nebenprodukt von Anlagen zur Herstellung von Adipinsäure und Salpetersäure, ist ein anerkanntes Treibhausgift und trägt zum Abbau der stratosphärischen Ozonschicht bei. Das Projekt zielt darauf ab, ein umfassendes Bild der Auswirkungen verschiedener REE (R = Nd, Pr, Ce) auf die physikochemischen Eigenschaften von R/M/Al-Mischoxiden (M = Cu, Co, Ni) zu bekommen.  

Bei der industriellen Zuckerherstellung erfolgt die Trennung durch Chromatographie. Derzeit beruht das Trennungsprinzip auf spezifischen Wechselwirkungen mit Ionen innerhalb einer Polymermatrix (Ionenaustauscherharz). Im vorliegenden Projekt wird untersucht, ob diese Materialien durch Zeolithe ersetzt werden können.

zur Vergrößerungsansicht des Bildes: Retentionszeiten verschiedener Zucker und Zuckeralkohole in einer mit Zeolith gefüllten HPLC-Säule (Autor: M.W. Shakil und C. Buttersack)
Retentionszeiten verschiedener Zucker und Zuckeralkohole in einer mit Zeolith gefüllten HPLC-Säule (Autor: M.W. Shakil und C. Buttersack)

Im Zusammenhang mit chemischen Wertschöpfungsketten auf Biomassebasis sind bifunktionale Katalysatoren für eine vielseitige Umwandlung komplex funktionalisierter Moleküle erforderlich. Metalldotierte Silika-Materialien mit darin eingebetteten sauren Polymeren werden als Katalysatoren mit einstellbaren Säure- und Redox-Eigenschaften untersucht.

zur Vergrößerungsansicht des Bildes: Schema zur Nutzung von bifunktionalen Katalysatoren (Author: M. Goepel)
Schema zur Nutzung von bifunktionalen Katalysatoren (Author: M. Goepel)

Synthese von mit aktiven Metallen beladenen Metalloxidträgern für die Umwandlung von CO2 in Alkohole. Einfluss von Träger, aktiver Phase und Promotor auf die Katalysatorleistung. Katalysatoren, die in den Anlagen von Industriepartnern (enaDyne) auf ihre Aktivität und Selektivität im NTP-DBD Plasma getestet werden. 

Die Infrarotmikroskopie ist ein leistungsfähiges Instrument für In-situ-Untersuchungen der Diffusion und Adsorption einer Vielzahl von Sondenmolekülen in Einkristallen/Partikeln von porösen Materialien. Um die Diffusion technisch relevanter Substanzen in Zeolithen besser zu verstehen, synthetisieren und modifizieren wir große Zeolithkristalle im Hinblick auf ihre Poreneigenschaften und aktiven Zentren. Diese ermöglichen es uns, Diffusions- und Adsorptionsphänomene sowie katalytische Modellreaktionen genauer zu untersuchen und zu verstehen.

zur Vergrößerungsansicht des Bildes: IR mikroskopische Bildgebung der Adsorption eines Probenmoleküls in einem einzelnen Zeolithkristall (Author: P. Seidel)
IR mikroskopische Bildgebung der Adsorption eines Probenmoleküls in einem einzelnen Zeolithkristall (Author: P. Seidel)

Ein attraktiver und einfacher Ansatz für eine effiziente H2/D2-Isotopentrennung ist die Verwendung von so genannten "trapdoor"-Zeolithen. Während eine hochselektive Abtrennung von D2 von H2 in Standardqualität erreicht wurde, wurde nur eine mäßige Effizienz erzielt, wenn die Konzentration einer der beiden Spezies über niedrige Prozentzahlen hinaus ansteigt. Die Kombination dieses Ansatzes mit selektiver elektrostatischer Adsorption in verschiedenen zeolithischen Materialien wird als vielversprechender nachhaltiger und kostengünstiger Weg zur Abtrennung von Wasserstoffisotopen angesehen.

Kohlenstoff-Abscheidung (Direct Air Capture) ist eine Schlüsseltechnologie, um die Klimaschutzziele zu erreichen und die CO2-Konzentration in der Atmosphäre zu senken. Eine wirksame direkte Abscheidung aus der Luft kann mit aminfunktionalisiertem Siliziumdioxid erreicht werden, allerdings sind solche Verfahren energieintensiv und daher mit finanziellen Belastungen verbunden. Die Kopplung der Kohlenstoffabscheidung mit der Synthese von Chemikalien mit Zusatznutzen kann die Rentabilität des Prozesses fördern und gleichzeitig den synthetischen Ansatz vereinfachen und ihn für dynamische Reaktionsbedingungen widerstandsfähig machen.