Gas-Reaktor für in situ Untersuchungen von Photokatalyse- und Energiekonversionsprozessen

Die Friedrich-Schiller-Universität Jena beabsichtigt für Ihre wissenschaftliche Tätigkeit den Kauf eines „Gas-Reaktors für in situ Untersuchungen von Photokatalyse- und Energiekonversionsprozessen“. Die Folgen der Erderwärmung bedrohen heute unser tägliches Leben. Innovative Lösungen zur Re-duktion klimaschädlicher Industrie- und Abgase wie CO2 und CH4 müssen gefunden werden. Gleich-zeitig muss schnellstmöglich eines der Hauptprobleme bei der Umsetzung der Energiewende gelöst werden: die mangelnde Speicherbarkeit von regenerativer Energie. Ein vielversprechender Lösungs-ansatz für beide Themen ist die Umwandlung von Industrie- und Abgasen (CO2, CH4, H2, CO) mittels regenerativer Energie in speicher- und transportfähige Wert- und Brennstoffe (energiereiche Koh-lenwasserstoffe wie z.B. Methanol CH3OH, Ethanol C2H5OH). Die rein thermische bzw. elektrische Zuführung von Aktivierungsenergie führt in der Regel jedoch nicht zu den gewünschten Reaktions-pfaden. Ein vielversprechender Lösungsweg ist, die Prozesse zusätzlich mit Licht bzw. mit Licht und Katalysatoren (Photokatalysatoren) zu steuern. Allerdings sind gegenwärtig die grundlegenden Zu-sammenhänge der komplexen Reaktionen noch nicht ausreichend verstanden und weiterführende Forschungen notwendig. Mit der beantragten Infrastruktur wird die innovative Möglichkeit geschaffen, die am IAP (AG Nol-te/Ackermann) etablierte Ramanspektroskopie, insbesondere fs-CARS, zur Lösung offener Fragen bei der Photokatalyse zu nutzen. CARS-Messungen ermöglichen in situ, mit hoher Dynamik und Ortsauf-lösung, Temperatur und Konzentration der beteiligten Gase gleichzeitig zu bestimmen und verspre-chen damit extreme Vorteile bei der detaillierten Aufklärung der Zwischenschritte bei den komple-xen Umwandlungsreaktionen. Deshalb soll am IAP ein entsprechend angepasster Gas-Reaktor be-schafft werden, der neben der Messung des Ramansignals unter den tatsächlichen Prozessbedingun-gen (in operando) gleichzeitig flexible Möglichkeiten der Lichtanregung verschiedener Photokataly-satoren und den Gasgemischen ermöglicht. Zur quantitativen Einordnung der Ergebnisse auch im internationalen Vergleich ist es notwendig, die Anlage, um ein Standardmessverfahren zur Bestim-mung von Gaskonzentrationen und Umwandlungsgeschwindigkeiten zu erweitern. Der Aufbau soll deshalb mit einem Gaschromatographen versehen werden, um Reaktionsprodukte höchstpräzise zu bestimmen. Mit Hilfe der beantragten Gravitationswaage kann die Sorption der Reaktionsgase auf den Photokatalysatoren bestimmt werden, was zur umfassenden, quantitativen Charakterisierung der beteiligten Stoffe notwendig ist. Insbesondere werden folgende Themen adressiert: • Entwicklung der in situ fs-CARS-Spektroskopie zur Untersuchung photokatalytischer Reaktionspro-zesse • Chromatographische Untersuchung dieser Prozesse in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Anregungslichts (Wellenlänge, Pulslänge, Pulsfrequenz, Intensität, …) • Entwicklung, Herstellung und Optimierung hocheffizienter Photokatalysatoren mit steuerbarer Selektivität • Simulation von gasphasenbasierten Photokatalyse Reaktionen auf Grundlage der verbesserten Datenbasis zur mechanistischen Aufklärung und Optimierung der Prozesse.