Flex-C-Cat – Nachhaltige Kohlenstoffträger für die aktuelle und zukünftige katalytische Hydrierung

Laufzeit: Juni 2015 - März 2019
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Eigenforschungsprojekt der Fraunhofer-Gesellschaft
Projektfokus:
Beispiele für Zwischenstoffe für die Herstellung kohlenstoffhaltiger Materialien und die Erzeugung chemischer Produkte.
© Fraunhofer ISE
Beispiele für Zwischenstoffe für die Herstellung kohlenstoffhaltiger Materialien und die Erzeugung chemischer Produkte.
Beispiele für kohlenstoffbasierte Materialstrukturen, die im Rahmen des Projekts »Flex-C-Cat« untersucht werden.
© Fraunhofer ISE
Beispiele für kohlenstoffbasierte Materialstrukturen, die im Rahmen des Projekts »Flex-C-Cat« untersucht werden.
Beispiel eines Hydrierungskatalysators, der auf ein kohlenstoffbasiertes Trägermaterial aufgebracht wurde.
© Fraunhofer ISE
Example of a hydrogenation catalyst supported carbon-based carrier material.

Zur Sicherung einer nachhaltigen Bereitstellung von Brennstoffen und chemischen Produkten wird die Katalyse mit Wasserstoff aus erneuerbaren Energien (z. B. Solar- und Windstromelektrolyse) eine entscheidende Rolle bei der Umwandlung von CO2 und Biomasse (z. B. aus Abfallströmen) in flüssige Energieträger, Plattformchemikalien und Materialien spielen. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich das Projekt »Flex-C-Cat« mit der Optimierung der Eigenschaften von Kohlenstoffmaterialien aus Biomasse als feste Trägermaterialien für die katalytische Hydrierung. Mit einem skalierbaren Niedertemperatur-HTC-Ansatz (HTC = hydrothermale Karbonisierung) zur Umwandlung von Biomasse ist die Synthese verschiedener poröser Kohlenstoffe möglich. Dies bietet Spielraum für die Optimierung der Eigenschaften von Katalysatorträgern für eine spezifische katalytische Anwendung (z. B. Hydrierung von Phenol zu Cyclohexanon in der wässrigen Phase).

Aufgrund der niedrigen Temperatur bei der hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse im Rahmen des Projekts »Flex-C-Cat« können die dabei entstehenden Produkte als kohlenstoffhaltig und funktional beschrieben werden. Folglich bieten einfache Steuerungsmechanismen (z. B. die Temperatur, bei der die Synthese abläuft) Spielraum für die unmittelbaren Eigenschaften der kohlenstoffbasierten Produkte. Auch die Porosität und Morphologie des Materials kann mit verschiedenen, von der Gruppe entwickelten Ansätzen beeinflusst werden – und zwar ohne die physikalisch-chemischen Eigenschaften zu verändern. Dies stellt für das Katalysator-Design einen signifikanten Vorteil dar, da diese flexible Natur von industriellen anorganischen bzw. kohlenstoffhaltigen Katalysatorträgern nicht erreicht wird. Ziel des Projekts ist die Entwicklung wichtiger Struktur-Wirkungsbeziehungen, um die Anordnung und Optimierung der Katalysatorleistung für Hydrierungsreaktionen zu ermöglichen, was für die aktuelle und zukünftige industrielle Praxis von Bedeutung ist. Dies wird zu iterativ verbesserten und zunehmend effizienten Katalysatoren führen, die unter weniger kapitalintensiven Bedingungen funktionieren, oder aber zu einer verbesserten Leistung von häufiger vorkommenden Nichtedelmetallen – wichtige ökonomische und Sicherheitsfaktoren bei der industriellen Katalyse. Das Projekt »Flex-C-Cat« hat zum Ziel, »nicht-klassische« kohlenstoffbasierte Materialien für den Einsatz als Katalysatorträger zu entwickeln, um die Lücke zwischen derzeit in der industriellen Katalyse verwendeten anorganischen und kohlenstoffhaltigen Materialien zu schließen. Gleichzeitig sollen natürliche und anthropogene Kohlenstoffzyklen über die Umwandlung von Biomasse und CO2 mit industriellen Vermögenswerten und wertvollen Produkten verknüpft werden – ein synergistischer Beitrag zu nachhaltiger Energiespeicherung und der Versorgung des Markts mit chemischen Produkten und Materialien.