Elektro- und photokatalytische Aktivierung von CO2
Die stoffliche Nutzung von Kohlenstoffdioxid ist sehr energieintensiv. Neben der Entwicklung klassischer Katalysatoren gab es in jüngster Zeit verschiedenste Entwicklungsaktivitäten im Bereich der elektro- und photokatalytischen Aktivierung von Kohlenstoffdioxid mit dem Ziel einer stofflichen Nutzung. Dieser CO2-Nutzungsweg benötigt verglichen mit der klassischen Katalyse tendenziell weniger Reaktionsenergie. Zu den Zielen der aktuellen Forschungsvorhaben gehören die Erforschung neuer Synthesewege, die Erhöhung der Produktausbeuten in ökonomisch relevanten Niveaus, eine Verbesserung der Prozessführungsstrategien, die Entwicklung neuer Katalysatoren für die Photo- und Elektrokatalyse sowie Aktivitäts- und Stabilitätsverbesserungen bestehender Katalysatorsysteme.
Literatur:
Krämer, D. und Hurtig, O. (2018): CO2Plus – Stoffliche Nutzung von CO2 zur Verbreiterung der Rohstoffbasis [online]. DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. [abgerufen am: 22.09.2021].
mehr anzeigen
weniger anzeigen
Einschätzung für die Anwendenden
-
Materialeinsparung
sehr hoch
-
Energieeinsparung
mittel
-
THG-Einsparung
sehr hoch
-
Investitionskosten
sehr hoch
-
Umsetzungsaufwand
sehr hoch
Die Angaben zu Material-, Energie- und THG-Einsparungen, Investitionskosten sowie Umsetzungsaufwände sind qualitative Abschätzungen auf vergleichender Basis.
Entwicklungsstadium
-
Labor
-
Technikum / Demonstrator
-
Industrielle Praxis
Labor: Die betrachtete Technologie oder Methodik wird im Labormaßstab entwickelt.
Technikum / Demonstrator: Die betrachtete Technologie oder Methodik wird in einer Technikums- oder Demonstrator-Anlage umgesetzt.
Industrielle Praxis: Die betrachtete Technologie oder Methodik wird in der Produktion oder anderen Anwendungsbereichen eines Industrieunternehmen eingesetzt.
Beispiele aus der Forschung und Entwicklung
DEPECOR – Direkte effiziente photoelektrokatalytische CO2-Reduktion
- Entwicklung eines Multi-Absorber-Demonstrators zur Umwandlung von CO2 in Kohlenwasserstoff
- Modifizierung von Solarzellen, so dass diese neben elektrischer Energie auch CO2 mittels Photoelektrokatalyse umwandeln können
- Verwendung von gestapelten Absorber-Strukturen zur Ausnutzung eines möglichst breiten Lichtspektrums
- Entwicklung von metallische Elektrokatalysatoren, welche eine Eignung für die CO2-Reduktion und Sauerstoffentwicklung aufweisen
- Übertragung der entwickelten metallischen Elektrokatalysatoren auf III-V-Halbleitertestzellen mit einer dünnen Metalloxidschutzschicht
- Untersuchung der Dynamik der Ladungsträger und Grenzflächenrekombinationsprozesse
Zur kompletten ProjektbeschreibungBioElektroPlast – Bioelektrochemische Produktion von Bioplastikmaterial
- Produzieren von Bioplastik bestehend aus Kohlenstoffdioxid aus Rauchgas
- Finden eines isolierten thermophilen Organismus mit Strom als Energiequelle und Elektronendonor
- Über Sequenzierung des Genoms Zielproteine finden, die die Produktion des Organismus steigern können
- Entwicklung eines Biofilmreaktors und eines 10-L-Modellreaktors für annähernd reale Prozessbedingungen
Zur kompletten ProjektbeschreibungHTCoEl – Kompakte Synthesegaserzeugung durch Hochtemperatur-Coelektrolyse
- Entwicklung von Balance-of-Plant-(BoP-)Komponenten wie Wärmeübertrager, Heizer, chemischen Reaktoren und Sensorikelementen
- Erprobung der entwickelten Komponenten in einem optimierten Hochtemperatur-Coelektrolyseurmodul
- Effiziente Herstellung von Heizer, RWGS-Reaktor und Wärmeübertrager für Arbeiten bei hohen Temperaturen und aggressiver Medienumgebung
- Entwicklung von elektrischen Durchführungen, galvanischen Isolierungen und Sensorik zur Erfassung des Betriebszustands, um temperaturbeständige, gasdichte und kostengünstige Lösungen bis 900 °C zu finden
Zur kompletten ProjektbeschreibungPRODIGY – Prozessentwicklung in der Gas-Feststoff-Photokatalyse für die Reduktion von CO2
- Herstellung von als Photokatalysatoren befähigten Nano-Materialien zur Umwandlung von CO2 mittels künstlicher Photosynthese
- Entwicklung maßgeschneiderter Photokatalysatoren mit den notwendigen optoelektronischen und strukturellen Eigenschaften
- Test der hergestellten Materialien und Optimierung der Reaktionsbedingungen
- Durchführen einer Lebenszyklusanalyse zur Optimierung der Reaktionsparameter
- Ergebnisse des Projekts dienen der chemischen Industrie als umweltfreundliche Alternativen
Zur kompletten ProjektbeschreibungPhasKat – Phasenreine kohlenwasserstoffselektive Elektrokatalysatoren und Anpassung der Betriebsbedingungen in der elektrochemischen CO2-Reduktion
- Entwicklung einer photoelektrochemischen Zelle zur Umwandlung von CO2 und Sonnenlicht in Wertstoffe
- Umwandlung von Sonnenenergie in speicher- und transportierbaren Energieträger
- Umwandlung des CO2 in Methan und Wasserstoffperoxid
- Reaktion von CO2 mit Sonnenlicht mittels Gasdiffusionselektroden
- Kombination neuartiger Photokatalysatoren mit Gasdiffusionselektroden ermöglicht direkte gasförmige Verwendung von CO2
Zur kompletten ProjektbeschreibungCO2SimO – Photoelektrochemische CO2-Reduktion und oxidative Wertstoffgewinnung
- Entwicklung eines Multi-Absorber-Demonstrators zur Umwandlung von CO2 in Kohlenwasserstoff
- Modifizierung von Solarzellen, so dass diese neben elektrischer Energie auch CO2 mittels Photoelektrokatalyse umwandeln können
- Verwendung von gestapelten Absorber-Strukturen zur Ausnutzung eines möglichst breiten Lichtspektrums
- Entwicklung von metallische Elektrokatalysatoren, welche eine Eignung für die CO2-Reduktion und Sauerstoffentwicklung aufweisen
- Übertragung der entwickelten metallischen Elektrokatalysatoren auf III-V-Halbleitertestzellen mit einer dünnen Metalloxidschutzschicht
- Untersuchung der Dynamik der Ladungsträger und Grenzflächenrekombinationsprozesse
Zur kompletten ProjektbeschreibungTRANSFORMATE – Kombi-Prozessentwicklung zur Herstellung des Biopolymers PHB und der Crotonsäure
- Nutzbarmachung von CO2 für die chemische Industrie durch Kombination von künstlicher Photosynthese und synthetischer Biologie
- Elektrochemische Konversion von Kohlenstoffdioxid in Ameisensäure
- Veredelung der Ameisensäure zu Biokunststoffen (Polyhydroxybuttersäure (PHB) und Crotonsäure)
- Vollständige Abbildung/Optimierung des zweistufigen Prozesses (Elektrolyseur und Bioreaktor) zur Umwandlung von CO2 in Biokunststoffe
- Kopplung eines Ameisensäure-Elektrolyseurs an einen Bioreaktor
- Geringer Wassereintrag in das System, annähernd spaltloses Zell-Design und Einbringung von polymeren ionischen Flüssigkeiten in die katalytische Schicht des Elektrolyseurs, um hohe Energieeffizienzen, Stromdichten und Ameisensäure-Konzentration zu erzielen
- Entwicklung eines neuen synthetischen Stoffwechselwegs (reduktiver Glycin-Weg) in das Bakterium Cupriavidus necator, um Ameisensäure als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle für das Bakterium zu nutzen.
Zur kompletten ProjektbeschreibungCarbonCat – Photochemische CO2-Assimilierung mit sichtbarem Licht auf mikrostrukturierten Diamantoberflächen in kontinuierlich betriebenen Mikroreaktoren
- Erforschung der Umwandlung von Kohlenstoffdioxid in Chemikalien mit Hilfe von Licht
- Hochleistungs-LEDs zusammen mit überwiegend kohlenstoffbasierten Photokatalysatoren in einem mikrostrukturierten Reaktorsystem
- Mikroreaktorsystem mit Diamant-Photokatalysator imitiert Photosynthese der Pflanzen
Zur kompletten ProjektbeschreibungMIKE – Methanisierung von CO2 aus Biogas mittels mikrobieller Elektrosynthese
- Erhöhung des Methananteils im Biogas aus industrieller Biogasanlage mittels mikrobieller Elektrosynthese
- Vereinfachung der Biogasreinigung durch Umwandlung des CO2 in Methan mittels elektroaktiver methanogener Organismen
- Identifizierung eines optimalen Mikroorganismus für die CO2-Umwandlung
- Entwicklung eines Bioreaktors
Zur kompletten ProjektbeschreibungPROPHECY – Prozesskonzepte für die photokatalytische CO2-Reduktion, verbunden mit Life-Cycle-Analysis
- Verfahrensentwicklung für die Nutzung von CO2 zur Herstellung von C1+X-Chemikalien
- Ziel ist die Erhöhung der Produktausbeute aller Produkte (Methan, Synthesegas (CO+H2) und C1+x-Kohlenwasserstoffe)
- Optimierung der verwendeten Additive (z. B. Ethanol, H2) und Photokatalysatoren
- Herstellung von pulverförmigen Titanatkatalysatoren
- Erforschung der photokatalytischen Trockenreformierung von Methan mit CO2
Zur kompletten ProjektbeschreibungeEthylen – Nutzung elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen zur elektrochemischen Herstellung von Ethylen aus CO2
- Entwicklung eines langzeitstabilen Elektrokatalysators zur selektiven Umwandlung von CO2 zu Ethylen
- Entwicklung einer porösen Gasdiffusionselektrode für Stromdichten > 250 mA/cm²
- Eruierung von Herstellungsmethoden
- Untersuchung der Skalierbarkeit
Zur kompletten ProjektbeschreibungRheticus (Phase II) – Verbundvorhaben Rheticus II: Errichtung und Validierung einer vollkontinuierlichen modularen Basis-Technologie-Plattform für die Herstellung von Spezialchemikalien II
- Verknüpfung von CO2-Elektrolyse und Gasfermentation zu „künstlicher Photosynthese“
- Überführung des Versuchs von Labormaßstab auf Versuchsanlage
- Umwandlung von erneuerbarer Energie in vor Ort nutzbare Spezialchemikalien
- Umwandlung von CO2 und Wasser durch Elektrolyse aus Sonnenenergie zu Synthesegas
- Umwandlung des Synthesegases durch Bakterien zu Butanol/Hexanol
- Ersetzen von fossilen Brennstoffen durch CO2-neutrale Varianten
Zur kompletten ProjektbeschreibungStrom als Rohstoff
- Entwicklung und Optimierung von Verfahren zur Synthese von Basischemikalien unter Nutzung von CO2-armem Strom
- Elektrochemische Herstellung von H2O2 mittels wässrigen Reaktionssystems und Anbindung an chemische Folgeprozesse
- Kontinuierliche elektrochemische Herstellung von Ethen aus Wasser und CO2, Aufbringung von kupferbasierten Katalysatoren auf Gasdiffusionselektroden und Entwicklung eines Demonstrators im Industriemaßstab
- Entwicklung eines einstufigen Hochdruckelektrolyseverfahrens zur Herstellung von C1-C4-Alkoholen aus Wasser und CO2
- Zweistufiger Prozess zur Herstellung von langkettigen Alkoholen mittels Kopplung von Hochtemperaturelektrolyse und der Fischer-Tropsch-Synthese
- Entwicklung von neuen Membranen und Elektroden für die Umwandlungsprozesse
- Modellierung, Simulation und Optimierung der katalysierten elektrochemischen Reaktionen und der elektrochemischen Zellen sowie Anpassung der Reaktionsparameter
Zur kompletten Projektbeschreibung
