Projektbereiche

Ziel des SPPs 2080 ist es, auf atomarer Ebene die strukturellen Antworten von nanostrukturierten Katalysatoren auf wechselnde Reaktionsbedingungen zu identifizieren, grundlegend zu verstehen und zu modellieren. Der daraus erwachsende Erkenntnisgewinn wird für ein gezieltes Katalysator- und Reaktordesign genutzt.

Entsprechend sollen die nationalen Kompetenzen in den in Abb. 2 schematisch gezeigten fünf Themenbereichen gesammelt und im Kontext einer dynamischen Reaktionsführung gemeinsam und interdisziplinär weiterentwickelt werden. Ein umfassendes Verständnis ausgewählter katalytischer Systeme der Energiewandlung und -speicherung bedingt eine enge, heute so noch nicht gegebene Verzahnung dieser komplementären Forschungsbereiche und ermöglicht so, fundamentales und methodisches Wissen für eine Vielzahl weiterer katalytischer Systeme zu generieren.

Abbildung 2: Themenbereiche des SPPs 2080 und deren Interaktion. Eine dynamische Änderung der Reaktionsparameter Konzentration (c), Druck (p), Temperatur (T) und ggf. elektrisches Potenzial (E) führt zur zeitabhängigen Änderung sowohl von Oberflächen- und Volumenzustand des Katalysators entlang des Reaktors als auch der Zusammensetzung des Produktstroms in Gestalt von Konzentrationen (c), Umsatzgrad (X), Ausbeuten (Y) und Selektivitäten (S).

Die Untersuchung von Elektro- und Feststoffkatalysatoren unter dynamischen, von außen aufgezwungenen Bedingungen soll in diesem SPP auf Umsetzungen fokussiert werden, die für die Energiespeicherung relevant sind (siehe Abb. 1). Die Vision ist dabei, die Prozesse auf atomarer Skala ebenso wie am (Elektro-)Katalysator und im Reaktor unter dynamischen Bedingungen zu verstehen. Dazu werden die Teilbereiche Spektroskopie, molekulare und kinetische Modellierung, katalytische Materialsysteme und Reaktorkonzepte unmittelbar aufeinander bezogen. Durch eine enge inhaltliche und methodische Verzahnung der Projektbereiche liefert dies die optimale Voraussetzung für den Erkenntnisgewinn vor dem Hintergrund der Katalysatoränderungen unter dynamischen Bedingungen als übergeordnete Zielstellung. So dienen etwa die Ergebnisse der spektroskopischen Untersuchungen dazu, Kriterien für das Katalysatordesign auf atomarem, mesoskopischem und Partikelniveau zu entwickeln. Sie sind zudem Voraussetzung für eine realitätsnahe Modellierung der Kinetik und das Verständnis der elektronischen und strukturellen Kataly­satoreigenschaften hinsichtlich der unter Lastwechseln auftretenden Änderungen an den aktiven Zentren. Die Anforderungen für das Design von Reaktoren für den dynamischen Betrieb werden einerseits aus den Ergebnissen aus Kinetik und Materialeigenschaften abgeleitet. Andererseits geben sie Zielgrößen für die Weiterentwicklung der kinetischen Modelle, der Katalysatoren und der für ihre Untersuchung notwendigen Charakterisierungsmethoden vor. Damit wird deutlich, dass die Ziele des SPPs nur durch eine konsequente Ausrichtung der Teilprojekte an der zentralen Fragestellung erreicht werden können.

Für den im Rahmen des SPPs 2080 angestrebten Erkenntnisgewinn ist eine enge inhaltliche und methodische Verzahnung der Teilbereiche Spektroskopie, molekulare und kinetische Modellierung, katalytische Materialsysteme und Reaktorkonzepte eine wesentliche Grundvoraussetzung. Die interdisziplinäre und ortsübergreifende Zusammenarbeit ist somit ein wesentliches Kennzeichen dieses SPPs. Die Forschungsprojekte werden daher Kooperationen zwischen Gruppen aus zwei bis drei verschiedenen Teilbereichen beinhalten und somit Netzwerkbildung und Wis­sens­transfer zwischen den Disziplinen unterstützen.