Elektrochemische Reaktionstechnik

  Reagenzglas mit elektrochemischer Reaktion Urheberrecht: AVT
 

SCHWERPUNKTE

  • Elektrochemische Katalyse
  • Elektrodendesign
  • Katalysatorentwicklung
 

Der Lehrstuhl „Elektrochemische Reaktionstechnik“ (AVT.ERT) wurde im Mai 2020 als Stiftungsprofessur dank einer Spende von Covestro gegründet. Er wird geleitet von Frau Prof. Dr. Anna Mechler , die damit das Team der AVT an der RWTH Aachen im Bereich der Elektrochemie verstärkt. Gleichzeitig ist Prof. Mechler als Gruppenleiterin am IEK-9 des Forschungszentrum Jülich eingebunden. Der Lehrstuhl befasst sich mit elektrochemischen Prozessen und insbesondere der Funktionsweise von Elektrokatalysatoren unter Reaktionsbedingungen.

In der AVT.ERT werden verschiedene elektrochemische Reaktionen betrachtet, bei denen elektrische Energie verwendet wird um chemische Moleküle zu bilden oder diese umgesetzt werden und dabei elektrische Energie generieren. Für diese Prozesse sind üblicherweise Katalysatoren notwendig um einen hinreichend effizienten Umsatz zu erzielen. Der Forschungsschwerpunkt der AVT.ERT liegt auf heterogen katalysierten Prozessen, also solche die an der Oberfläche eines festen Katalysators stattfinden. Die Reaktionen laufen also immer an einer flüssig-fest oder flüssig-gas-fest Grenzfläche ab. Daher ist nicht nur das eigentliche Katalysatormaterial selbst, sondern auch die Eigenschaften der anderen Medien entscheidend für die Funktionalität einer Elektrode. Außerdem sind alle diese Faktoren, insbesondere die Katalysatoroberfläche, während der Reaktion Veränderungen unterworfen, ändern also ihre Zusammensetzung, Konzentration oder (elektronische) Struktur. Der Einfluss von Prozessparametern und der Veränderung von Elektrode und Grenzfläche werden daher gezielt untersucht. Hierzu verwenden wir in-situ Analytik wie beispielsweise online Massenspektroskopie. Dadurch werden Prozess-Parameter entwickelt, für die verschiedene Katalysatoren optimal ausgenutzt und betrieben werden können.

Basierend auf Erkenntnissen über die Funktionsweise und Veränderung von Katalysatoren unter Reaktionsbedingungen, werden diese modifiziert um gezielt besondere Eigenschaften zu erhalten, welche die Reaktionsbedingungen verbessern. Beispielsweise werden Co-Katalysatoren genutzt um Degradationseffekte zu minimieren oder die Betriebsbedingungen angepasst, sodass die üblichen Veränderungen des Katalysators im elektrochemischen Reaktor zu einer kontrollierten Modifikation der Oberfläche führen, die das Material aktiviert oder stabilisiert.

Zur optimalen Katalysatornutzung im Reaktor gehört außerdem ein strukturiertes Elektrodendesign. Dazu wird der Einfluss von Elektrodengeometrie und Effekten durch Vergrößerung der Elektroden auf das Katalyseverhalten untersucht. Dazu zählen beispielsweise Poreneffekte, Temperatur- oder Konzentrationsgradienten sowie elektrische Leitfähigkeit des Trägermaterials. Durch ein Verständnis der verschiedenen Elektrodeneffekte auf die Arbeitsbedingungen eines Katalysators können Elektroden angepasst und so deren Implementierung in den elektrochemischen Reaktor optimiert werden.