Kohlenstoffdioxid als Rohstoffquelle

Projekt CarbonCat

Photokatalytische Umwandlung von Kohlenstoffdioxid in Basischemikalien

Hochleistungs LEDs
© Foto Sahlmann Photochemical Solutions
Synthetischer Diamant
© Foto Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Kohlendioxid, Methan und Stickoxide – Treibhausgase, die im Verdacht stehen für die globale Erwärmung mitverantwortlich zu sein. Mit fast Dreivierteln davon stellt Kohlendioxid den maßgeblichen Anteil an den Emissionen. Obwohl der Kohlenstoffkreislauf bei der Verwendung von Biomasse zur Energieerzeugung weitgehend geschlossen ist, ist die Nutzbarmachung des entstehenden CO2 eine hochaktuelle gesellschaftspolitische Fragestellung. Gelingt diese, insbesondere unter Verwendung alternativer Energieformen wie z. B. Windenergie, Wasserkraft oder Sonnenenergie, kann die Ökobilanz nachhaltig verbessert werden. Das Projekt „CarbonCat“ zielt auf die richtungsweisende Entwicklung eines Mikroreaktorsystems, mit dem das Potential neuer Katalysatormaterialien für die innovative Verwertung von CO2 untersucht und für zukünftige Anwendungen ausgeschöpft werden soll.

Das Funktionsprinzip

Für die gezielte Umsetzung des CO2 sollen Hochleistungsleuchtdioden in Kombination mit einem neuartigen, überwiegend auf Kohlenstoff-basierenden Photokatalysator in einem mikrostrukturierten Reaktorsystem zum Einsatz kommen. Auf lange Sicht will das Konsortium aus dem Fraunhofer ICT-IMM, der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und dem Unternehmen Sahlmann Photochemical Solutions die natürliche CO2-Assimilierung in einem technischen System nachempfinden. Anstelle von Pflanzenzellen mit ihren photosynthetisch aktiven Chloroplasten entwickeln wir ein Mikroreaktorsystem, das den Diamant-Photokatalysator als photoaktive Komponente enthält. Der besondere Aufbau des Mikroreaktors ermöglicht die kontinuierliche Interaktion aller Akteure unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht.

Ziel

Neben der technologischen Seite nimmt die chemische Optimierung von Diamant als Photokatalysator eine Schlüsselrolle ein. Die gezielte Funktionalisierung von Diamantoberflächen mit komplexen organischen Bausteinen ist nicht trivial, vor allem hinsichtlich der Langzeitstabilität zur Nutzung in einem kontinuierlichen Prozess, wie im Mikroreaktor beabsichtigt. Neben der Reaktortechnologie und den katalytisch aktiven Oberflächen sind sowohl die Auswahl und die Mischung der benötigten Wellenlängen als auch die Anordnung der LEDs von entscheidender Bedeutung. Dem Zusammenspiel zwischen Lichtquelle und den anderen Komponenten des Systems gilt große Aufmerksamkeit, da es für den photokatalytischen Prozess von ebenso großer Bedeutung ist wie für die Gesamteffizienz des Reaktors. Ultimatives Ziel des Projektes „CarbonCat“ ist die Entwicklung und Bereitstellung einer Demonstratoranlage, die unter naturnahen Bedingungen CO2 in wertvolle chemische C1- Bausteine wie Methanol umzuwandeln kann.

Unser F&E Angebot

Wir bieten unseren Kunden die Entwicklung, Konstruktion und Fertigung von angepassten milli- und mikrostrukturierten Flow-Reaktoren vom Labormaßstab bis zum Pilotprozess an. Die Nutzung neuer Materialien, wie zum Beispiel polykristallinem Diamant oder kubischem Bornitrid, ergänzen wir durch unsere Mikrostrukturierungstechnologien und ermöglichen somit die zukunftsfähige Kombination mit der Mikroverfahrenstechnik. Unsere Forschungs- und Entwicklungsarbeit findet dabei in der feinchemischen Elektro- und Photochemie ihre Anwendung.

 

Gefördert durch: BMBF Bundesministerium für Bildung und Forschung, Förderkennzeichen 033RC009A.