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D - Katalytische Materialsysteme

Aufgabe dieses Themenbereichs ist die verständnisbasierte Erarbeitung von katalytischen Materialsystemen für den Einsatz unter dynamischen Betriebsbedingungen. Die dynamische Betriebsweise soll dabei auch zur Erhöhung der zeitlich gemittelten Reaktionsgeschwindigkeit bzw. Selektivität genutzt werden. Aufbauend auf zu modifizierenden oder neu zu entwickelnden Methoden einer kontrollierten Katalysatorpräparation sowie zusammen mit den anderen Themenbereichen sollen Ansätze entwickelt werden, um entweder eine Minimierung von Degradationsprozessen und damit eine Verlängerung der Lebenszeit der (Elektro-)Katalysatoren im dynamischen Betrieb oder eine periodische Materialregenerierung zu erreichen. Über die Bereitstellung geeigneter Modellsysteme für Studien in den Bereichen A-C hinausgehende konkrete Bestandteile des Materialdesigns für dynamischen Betrieb können sein:

  • Synthese aktiver Partikel mit hoher thermodynamischer Stabilität (Dotierung, Kern-Schale-Partikel, Einbettung in poröse Oxide) oder zusätzliche „Opferphasen“
  • Stabilisierung aktiver Partikel durch chemische oder morphologische Modifizierung des Trägers (Dotierung, nanopore confinement, etc.)
  • Design von Katalysatoren hinsichtlich der relevanten Stoff- und Wärmetransportprozesse auf unterschiedlichen Längenskalen, z. B. durch hierarchisch strukturierte Porensysteme
  • (Elektro-)Katalysatoren mit aktiven Phasen, welche kinetisch statt thermodynamisch stabile Zustände der aktiven Komponente zur Katalyse nutzen, kombiniert mit alternierenden Produktions- und Regenerationszyklen
  • Strategien zur zyklischen „Reparatur“ der aktiven Phase, z. B. durch Komplexierung sich auf-lösender Metallspezies und Rücküberführung in aktive Partikel in Regenerationszyklen