Elektrochemische Reaktionstechnik
Das Lehr-& Forschungsgebiet „Elektrochemische Reaktionstechnik“ (AVT.ERT) wurde im Mai 2020 dank einer Spende von Covestro gegründet. Er wird geleitet von Prof. Dr. Anna Mechler , die 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 mit der Funktionsweise von Elektrokatalysatoren und dem Einfluss variierender Reaktionsbedingungen.
Die Forschung der AVT.ERT beschäftigt sich mit der Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Bindungen und vice versa. Für diese Prozesse sind üblicherweise Katalysatoren notwendig, um effiziente Umsätze zu erzielen. Unser Schwerpunkt liegt dabei auf heterogen katalysierten Prozessen, das sind jene, die eine festes Elektrodenmaterial beinhalten. Die Umwandlung zwischen chemischer und elektrischer Energie findet folglich an einer fest-flüssigen oder fest-flüssig-gasförmigen Grenzfläche statt. Die Reaktion wird nicht nur von der aktiven Oberfläche selbst, sondern auch den Eigenschaften der anderen Reaktionsteilnehmer beeinflusst.
Während der Reaktion ist das ganze System Veränderungen unterworfen. Die Edukte werden kontinuierlich verbraucht, was zu einem Konzentrationsgradienten an der aktiven Oberfläche führt. Der Katalysator selbst kann durch Agglomeration, Zersetzungs- und Vergiftungsprozesse seine Zusammensetzung oder aktive Oberfläche ändern. Dies beeinflusst die geometrische und elektronische Oberflächenstruktur und verändert dadurch die Katalyseeigenschaften. Daher beschäftigt sich unsere Forschung ebenfalls mit dem Einfluss verschiedener Reaktionsparameter auf die Elektroden und ihre Oberflächen. Solche Untersuchungen sind zum Beispiel mit einer online Massenspektrometrie möglich. Dabei wird der Produktstrom aus der Zelle direkt auf die molekularen Massen der Produkte, Edukte und Verunreinigungen untersucht. Mit diesen Informationen können Rückschlüsse auf optimale Reaktionsbedingungen geschlossen werden.
Verschiedene Reaktionsparameter können verschiedene Effekte auf die elektrochemische Umwandlung ausüben. Beispielsweise beeinflussen die Reaktionstemperatur und Flussrate die Katalysatorstabilität und können richtig justiert die Zellperformance verbessern. Co-Katalysatoren können Degradationseffekte minimieren. Zusätzliche Ionen im Elektrolyten können enormen Einfluss auf die Reaktion haben. Je nach Ion können sie die Aktivität erhöhen oder den Katalysator vergiften. Die Erkenntnisse über den Einfluss der einzelnen Parameter und die Veränderungen während der Reaktion sind notwendig für die Optimierung der Reaktionsbedingungen und maßgeschneiderte Katalysatoren.
Zur optimalen Katalysatornutzung im Reaktor gehört außerdem ein strukturiertes Elektrodendesign. Die Oberflächengeometrie des Katalysators hat nämlich potentiell einen starken Einfluss auf die Produktselektivität. Problematisch ist dabei, dass die optimale Produktselektivität nicht immer mit maximaler Oberfläche vereinbar ist. Dies ist beim Scale-Up enorm wichtig, da industrielle Prozesse einige Größenordnungen über dem Labormaßstab liegen. Andere Effekte sind Porendiffusion, Temperatur- oder Konzentrationsgradienten sowie die elektrische Leitfähigkeit des Trägermaterials. Das Verständnis der verschiedenen Effekte auf die Arbeitsbedingungen eines Katalysators ist essentiell für die Implementierung in großen elektrochemischen Reaktoren.