SFB 1487 - Eisen, neu gedacht!
Projekt A03

Überblick

Im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 1487 „Eisen, neu gedacht!“ wird im Förderzeitraum vom 1.1.2022 bis zum 1.1.2025 die Nutzung von eisenbasierten Werkstoffen mit dem Fokus auf ihre magnetischen und katalytischen Eigenschaften untersucht. Eisen ist das am häufigsten in der Erdkruste vorkommende Metall und könnte zukünftig seltene, toxische und umweltschädliche Metalle in wesentlichen chemischen Anwendungen ersetzen. Ein Verbund unter der Führung der TU Darmstadt in Zusammenarbeit mit der Goethe-Universität Frankfurt, der Universität Heidelberg, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, der Philipps-Universität Marburg und dem Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion soll in diesem Projekt Eisen in verschiedensten Umgebungen und hinsichtlich vielseitiger Parameter umfassend untersuchen. Ziel ist es zu aussagekräftigen Schlussfolgerungen über die zukünftige Nutzung von Eisen zu kommen und Lösungswege für nachhaltige Prozesse und Materialien zu erschließen.

Projekt A03: Aktivitäts-Stabilitäts-Transport-Korrelationen von Eisen-Molybdat-basierten Katalysatoren in der Oxidativen Dehydrogenierung von Ethanol

Abbildung 1: Konzept optisch zugänglicher Katalysekanal. Links im Bild: Einlass und Homogenisierung der Strömung; Mittig: Reaktor mit Detektionsfenstern; Rechts: Diffusor und Auslass; Horizontal und vertikal aufgesetzt: Optische Zugänge für Lasereinkopplung.
Abbildung 1: Konzept optisch zugänglicher Katalysekanal. Links im Bild: Einlass und Homogenisierung der Strömung; Mittig: Reaktor mit Detektionsfenstern; Rechts: Diffusor und Auslass; Horizontal und vertikal aufgesetzt: Optische Zugänge für Lasereinkopplung.

Im Teilprojekt A03 wird ein neuer Syntheseweg von grünem Acetaldehyd und Essigsäure aus Ethanol unter Einsatz eines Eisenmolybdat-basierten Katalysators untersucht. Im Zuge der notwendigen Defossilisierung der chemischen Industrie wird Bioethanol als Grundlagenchemikalie eine wichtige Rolle spielen. Für die Produkte Acetaldehyd und Essigsäure (mehrere Millionen Tonnen Produktion pro Jahr), welche beide ebenfalls essentielle Ausgangsstoffe zum Beispiel in der Herstellung von Polymeren darstellen, ist ein ganzheitlich grüner Synthesezweig mit nachhaltigen, eisenbasierten Katalysatoren von großer Wichtigkeit.

Unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Bastian Etzold und Prof. Dr. Andreas Dreizler wird speziell die Kopplung von katalytischer Aktivität und Stabilität, sowie dem Wärme- und Massentransport untersucht. Die Gruppe von Prof. Etzold beschäftigt sich im Projekt mit einer detaillierten Bewertung der chemischen Kinetik sowie der Simulation der chemischen Reaktionstechnik. Unter der Leitung von Prof. Dreizler wird am Institut für Reaktive Strömungen und Messtechnik (RSM) ein optisch zugänglicher Katalysekanal entwickelt, der es ermöglicht, mittels IR-Thermografie und der Raman-Streuung räumlich und zeitlich aufgelöste Konzentrations- und Temperaturprofile in-situ an der Katalysatoroberfläche zu erfassen. Eine Konzeptskizze des elektrisch beheizbaren und optisch zugänglichen katalytischen Kanals ist Abbildung 1 zu entnehmen.

Abbildung 2: Neuartiges Spektrometerkonzept mit zwei Detektionskanälen und einer integralen Kamera.
Abbildung 2: Neuartiges Spektrometerkonzept mit zwei Detektionskanälen und einer integralen Kamera.

Für die Detektion der spontanen Raman-Streuung wird ein neuartiges Spektrometer-Konzept entwickelt und eingesetzt, das es erlaubt, in zwei unabhängigen Detektionskanälen sowohl die hochaufgelöste spektrale Antwort des Stickstoff-Moleküls zum Zwecke der Thermographie, als auch die Raman-Streuung aller am Prozess beteiligen Hauptspezies für die Bestimmung der Konzentrationen zu erfassen. In Abbildung 2 ist das in Kooperation mit der Arbeitsgruppe Optische Diagnosemethoden und Erneuerbare Energien von Prof. Dr.-Ing. Dirk Geyer an der Hochschule Darmstadt entwickelte Spektrometer schematisch dargestellt. Angeregt wird die Raman-Streuung mit einem 100 W starken continous-wave (kontinuierlich emittierenden) Faser-Laser.