Forschung

Ziel des Forschungsprojektes soll eine möglichst C-effiziente Umwandlung von technischen Ligninströmen zu C1-C6 Chemikalien in einem katalytischen Membranreaktor sein.

Die Gewinnung von Plattformchemikalien aus Biomasse ist ein zentrales Anliegen der chemischen Industrie und letztendlich der Gesellschaft. Dabei sollen bestehende Prozesse von fossilen Edukten hin zu nachwachsenden Rohstoffen umgestellt werden. Basierend auf Vorarbeiten soll ein integriertes Reaktionskonzept zur Depolymerisation von Lignin in C1-C6 Chemikalien entwickelt werden.

Insbesondere folgende Produktfraktionen stehen hierbei im Fokus:

• C1-, C2- Fraktion: Ameisen- und Essigsäure
• C3-, C4- (Di)-carbonsäuren
• C1 – C6 Aldehyde, Säuren (+Ester), Ketone

Diese sollen in einem katalytischen Membranreaktor oxidativ aus Lignin erzeugt und mittels Nanofiltrationsmembranen in-situ aus der Reaktionslösung abgetrennt werden.

Dieses Projekt wird von der LigPOMMem GmbH finanziert und beschäftigt sich mit der Auswahl, sowie der strömungsmechanischen und verfahrenstechnischen Charakterisierung geeigneter Membranen. Anschließend soll auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse Design-, Aufbau und Inbetriebnahme eines katalytischen Membranreaktors erfolgen. Katalytische Untersuchungen zur oxidativen Depolymerisation von Lignin im katalytischen Membranreaktor zeigen anschließend das Potential des neuen Konzepts im Vergleich zu etablierten Lignin-Wertschöpfungsketten.

Ansprechpartnerin: Dr.-Ing. Dorothea Voß(dorothea.voss"AT"uni-hamburg.de)

Mit überschüssigem Strom aus erneuerbaren Energien wie Photovoltaik und Windkraft kann Wasserstoff durch Elektrolyse nachhaltig produziert werden. Aufgrund der geringen volumetrischen Energiedichte von Wasserstoff ist die technische Speicherung durch Verdichtung und Verflüssigung mit großem Aufwand, speziellen Materialien und hohen Kosten verbunden. Insbesondere die Langzeitspeicherung großer Mengen an Wasserstoff ist schwierig und kostenintensiv.

Alternativ kann der regenerativ gewonnene Wasserstoff in einem Power-to-X-Verfahren einer weiteren Wertschöpfung zugeführt werden. Mit CO₂ aus Kraftwerken, Industrieabgasen und Biogasanlagen können Basischemikalien und Kraftstoffe hergestellt werden. Die Herstellung von z. B. Methan, Methanol, Dimethylether oder Olefinen unter konstanten Reaktionsbedingungen ist erprobt, berücksichtigt jedoch keine fluktuierende Wasserstoffbereitstellung aus erneuerbaren Energien.

Aufgrund dieser dynamischen Rahmenbedingungen müssen neuartige, flexible und robuste Katalysatoren entwickelt werden, um unerwünschte Nebenreaktionen und Katalysatordeaktivierung zu minimieren. Zur prozesstechnischen Evaluierung werden die Katalysatoren in einer stufenlos-regelbaren Festbettanlage mit fluktuierenden Stoffströmen und Temperaturen reaktionstechnisch untersucht.

Die Wahl der optimalen Kombination aus Aktivkomponente und Trägermaterial des Katalysators sowie dessen Morphologie ist neben den Reaktionsbedingungen maßgeblich entscheidend für die katalytische Performance. Hierzu werden vielversprechende Power-to-X Anwendungen wie die (Reverse) Wasser-Gas-Shift-Reaktion, die CO₂- Methanisierung sowie die Methanol- und Dimethylethersynthese aus CO₂ unter dynamischen Reaktionsbedingungen untersucht. Diese sind über thermodynamische Gleichgewichte miteinander gekoppelt, sodass Nebenprodukte zwangsläufig entstehen. Ziel der Forschung ist es, mit einem selektiven und robusten Katalysator die jeweils optimalen Reaktionsparameter zu bestimmen, um die Ausbeute der gewünschten Verbindung unter fluktuierenden Reaktionsbedingungen zu maximieren.

UHH/Albert

Ansprechpartner: Nick Herrmann
E-Mail: nick.herrmann"AT"uni-hamburg.de

Katalysatoren spielen eine wichtige Schlüsselrolle in chemischen Prozessen, indem sie die Aktivierungsenergie der chemischen Reaktion herabsetzen und dadurch eine energieeffiziente Herstellung chemischer Produkte ermöglichen. Aus diesem Grund ist auch die Entwicklung neuer Katalysatormaterialien für die Energiewende und die Transformation der chemischen Industrie zu mehr Nachhaltigkeit essentiell. Für die Wertschöpfung aus Biomasse haben Katalysatormaterialien aus der Substanzklasse der Polyoxometallate (POM) vielversprechendes Potential gezeigt. Daher stehen diese auch im Fokus unserer Forschung.

Bei Polyoxometallaten handelt es sich um anionische molekulare Cluster aus Übergangsmetallionen (z.B. Mo^+VI oder W^+VI) und Oxo-Liganden (O^-II). Sie bilden verschiedene Strukturtypen aus von denen einige, sog. Heteropolyanionen, ein weiteres Heteroelement (z.B. Si oder P) enthalten. Demgegenüber stehen die Isopolyanionen, die neben den Oxo-Liganden und Gerüstmetallionen keine weiteren Elemente enthalten. In beiden Arten von POMs ist es jedoch möglich, das Gerüstmetall teilweise durch andere Übergangsmetallionen (z.B. V^+V, Nb^+V, Co^+II) zu substituieren um katalytisch aktive Moleküle zu erhalten. Neben dem Strukturtyp und der Verwendung von unterschiedlichen Elementen auf den verschiedenen Positionen können die Eigenschaften der POMs (insbesondere deren Löslichkeit) auch durch ihre Gegenionen beeinflusst werden.

In unserer Forschung arbeiten wir daran, Synthesemethoden zu entwickeln, die es ermöglichen diese Merkmale (Strukturtyp, Zusammensetzung, Gegenionen) gezielt einzustellen um die gewünschten molekularen Eigenschaften (Löslichkeit, Brönsted bzw. Lewis-Azidität, RedOx Aktivität) zu erhalten. Mit Hilfe geeigneter Methoden synthetisieren wir maßgeschneiderte Moleküle deren katalytische Aktivität wir in verschiedenen Projekten zur Entwicklung nachhaltiger chemischer Prozesse testen. Dabei setzten wir die POMs in Lösung als homogene Katalysatoren oder in Verbindung mit einem Trägermaterial als heterogene Katalysatoren ein.

Ansprechpartner: Maximilian Poller (maximilian.poller"AT"uni-hamburg.de)

Polyoxometallate (POMs) sind Komplexverbindungen aus Sauerstoff und leichten Übergangsmetallen der 5. oder 6. Hauptgruppe in ihrer höchsten Oxidationsstufe. Zur Steigerung der chemischen und thermischen Stabilität können zudem verschiedene Heteroatome wie beispielsweise Phosphate oder Silicate in die Struktur integriert werden. Neben ihrer strukturellen Vielfalt zeichnen sich POMs besonders durch ihre besonderen physikalischen und chemischen Eigenschaften wie eine hohe Brønsted-Acidität, hohe Protonenmobilität, schnellen und reversiblen Multielektronentransfer, enorme Löslichkeit in polaren Lösungsmitteln und hohe thermische und oxidative Stabilität. Durch Einbringen verschiedener Übergangsmetalle und Anpassung der Kationen können die Eigenschaften der Strukturen individuell eingestellt und somit auf den Anwendungszweck ideal zugeschnitten werden.

POMs werden durch diese strukturelle Vielfalt, sowie ihre enorme Multifunktionalität vor allem in der homogenen Katalyse als effektive Säure- und Oxidationskatalysatoren eingesetzt. Der Einsatz von homogenen Katalysatoren bringt jedoch Schwierigkeiten, wie die Katalysatorabtrennung, sowie Katalysatorrezyklierung und auch die Produktaufbereitung mit sich. Zudem limitiert die geringe spezifische Oberfläche der reinen „bulk“ POMs die Anwendungsgebiete. Daher ist die Entwicklung von heterogenen POM-basierten Katalysatoren mit möglichst hoher spezifischer Oberfläche von großem Interesse. Neben einer vereinfachten Katalysatorabtrennung und Katalysatorrezyklierung soll so vor allem die Erweiterung des Anwendungsgebietes realisiert werden. Dabei steht besonders die Nutzung der einzigartigen katalytischen Eigenschaften von POMs in nicht-polaren Reaktionsmedien, sowie in Gasphasenreaktionen im Vordergrund.

Dazu stehen verschiedene Möglichkeiten zur Heterogenisierung zur Verfügung:

• Imprägnierung auf einem porösen Trägermaterial
• Chemische Immobilisierung mittels kovalenter Bindung an Linkermolekülen
• Komplexierung mittels anorganischer oder organischer Kationen
• Einkapselung in hochporöse Käfigstrukturen

In unserer Arbeitsgruppe beschäftigen wir uns mit der Entwicklung und Anwendung von maßgeschneiderten heterogenen POM-basierten Materialien für Flüssig- und Gasphasenprozesse. Dieses Projekt bearbeiten wir gemeinsam mit unseren akademischen Partnern der Technischen Universität (DTU) Lyngby.

Ansprechpartner/in: Dr. Samrin Shaikh (samrin.shaikh"AT"uni-hamburg.de)

SNISMs- Kombinierter Einfluss von pH, Katalysator und stark nicht-idealen Lösungsmittelmischungen zur Verbesserung säurekatalysierter Reaktionen

Die Effizienz von chemischen Synthesen wird durch das Zusammenspiel von Katalysator und Reaktionsmedium bestimmt. In der homogenen Katalyse sind eine hohe Substratlöslichkeit, schnelle Kinetik, hohe Ausbeuten sowie die Recyclingfähigkeit von Lösungsmittel und Katalysator erwünscht. Als säurekatalysierte Modellreaktionen werden Veresterungen verschiedener, organischer Säuren (z.B. Ameisen-, Essig-, oder Milchsäure) mit kurzkettigen Alkoholen untersucht, wobei als Katalysatoren die in der Arbeitsgruppe gut bekannten und vielseitig eingesetzten Heteropolysäuren (HPA) verwendet werden. Bei der Reaktion entsteht Wasser als Nebenprodukt. Es wird deshalb ein Reaktionsmedium benötigt, das die thermodynamische Wasseraktivität so gering wie möglich hält, gleichzeitig aber die Aktivität des Katalysators (Protonenaktivität) und der Edukte maximiert, um das thermodynamische Gleichgewicht auf die Produktseite zu verschieben. Bei Verwendung eines einzelnen Lösungsmittels wird häufig nur eine dieser Eigenschaften erreicht, z.B. die Verringerung der Wasseraktivität bei gleichzeitiger Verlangsamung der Reaktionskinetik. Deshalb sollen in stark nicht-idealen Lösungsmittelsystemen (SNISMs) Lösungsmittelgemische eingesetzt werden, die durch starke Wechselwirkungen vom Raoult’schen Gesetz abweichen. Dabei kann es sich z.B. um organische Lösungsmittel in Kombination mit Harnstoff, Terpenoiden oder Zuckern handeln. Der Einfluss von SNISMs auf das Phasenverhalten, die Ausbeute und die Reaktionskinetik ist bisher nicht gut bekannt und soll sowohl experimentell als auch mit einem thermodynamischen Vorhersagetool untersucht werden.

Dieses Projekt wird gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von PD Dr.-Ing. Christoph Held am Lehrstuhl für Thermodynamik der TU Dortmund bearbeitet. Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unter dem Förderkennzeichen AOBJ: 699314.

Ansprechpartner: Lasse Prawitt (lasse.prawitt"AT"uni-hamburg.de)

Auf Kohlenstoffnanoröhren geträgerte Ru-X nanopartikel als schaltbarer Katalysator für die Glycerinhydrogenolyse

Ziel des SFB 1615 SMART-Reaktors ist es, einen Reaktor zu bauen, der erneuerbare Ressourcen in verschiedene Produkte umwandelt (Mehrzweckreaktoren) und der autonom (selbstanpassend) arbeitet, was zu widerstandsfähigeren (resilienten) Prozessen führen wird, die besser zwischen verschiedenen Maßstäben und Standorten übertragbar sind. Die Entwicklung maßgeschneiderter bi- oder trimetallischer Katalysatoren für die selektive Hydrogenolyse von Glycerin, einem wichtigen Nebenprodukt der Biodieselproduktion, zu 1,2-Propandiol unter milden Reaktionsbedingungen ist eine zentrale Herausforderung für das Projekt. Da die Benetzbarkeit des Katalysators schaltbar sein sollte, um den Katalysator widerstandsfähiger gegenüber Katalysatorgiften zu machen, scheinen Kohlenstoffnanoröhren ein vielversprechender Träger zu sein. Um dies zu erreichen, wollen wir einen hochaktiven und selektiven metallischen Katalysator auf einen maßgeschneiderten CNT-Wald aufbringen, dessen Benetzbarkeit durch das Anlegen einer Spannung gesteuert werden kann.

Vorläufige Tests in unserer Gruppe haben gezeigt, dass die Kombination von Übergangs- und Edelmetallen ein vielversprechender Ansatz ist. Da Ruthenium die beste Wahl für das Edelmetall zu sein scheint, ist die Suche nach dem richtigen Übergangsmetall zur Ergänzung des bi- oder trimetallischen Katalysators ein wichtiger Schritt in unserer Forschung. Es ist auch wichtig, einen passenden CNT-Träger zu finden, der die katalytische Aktivität weiter fördert. Aus diesem Grund verwenden wir verschiedene handelsübliche CNTs für die Entwicklung eines Pulverkatalysators. Wir wollen herausfinden, ob die für die Katalyse wichtigen Eigenschaften der getesteten Pulver-CNTs auf maßgeschneiderte CNT-Wälder unserer Projektpartner übertragbar sind. Es ist auch wichtig, das richtige Metallverhältnis, die richtige Beladung und die richtigen Vorstufen sowie die optimale Imprägnierungsmethode und -bedingungen zu finden, um den bestmöglichen Katalysator zu entwickeln. Wir testen unsere Katalysatoren in einer Mehrfachhydrierungsanlage, die es uns ermöglicht, unsere Katalysatoren unter verschiedenen Reaktionsbedingungen zu testen.

Dieses Projekt ist Teil des SFB 1615: SMART-Reaktors und wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unter dem Förderkennzeichen 503850735 gefördert. Wir arbeiten in enger Kooperation mit unseren Projektpartnern der Arbeitsgruppe von Prof. Dr.-Ing. Bodo Fiedler vom Institut für Polymere und Verbundwerkstoffe der TU Hamburg zusammen.

Ansprechpartner:        samrin.shaikh@uni-hamburg.de  

                                          dominique.lumpp@uni-hamburg.de

Im Zuge der Entwicklung eines chemischen Prozesses bis hin zur Industriereife spielt die Maßstabsvergrößerung eine entscheidende Rolle. Hierbei bildet die Technische Chemie das Bindeglied zwischen der Chemie und der Verfahrenstechnik. Zunächst werden neue Synthesestrategien im Labor entwickelt (Chemie) und anschließend erfolgt die sichere Übertragung der im Labor gefundenen chemischen Umsetzung in den technischen Maßstab (Verfahrenstechnik).

Die Miniplant-Technik bildet die Grundlage der Maßstabsvergrößerung. Bei einer Miniplant handelt es sich um eine Kleinanlage im Labor- oder Technikumsmaßstab mit einem Durchsatz von 0,1-1 kg h-1. Aufbauend auf diskontinuierlichen Laborversuchen, in denen unterschiedliche Einflussparameter wie Druck, Temperatur oder Katalysatorsysteme untersucht werden, können in einer Miniplant erstmals kontinuierliche Untersuchungen durchgeführt werden. Mit Hilfe der Miniplant können Machbarkeitsstudien durchgeführt und Kreisläufe sowie Rückführungen überprüft werden. Auch die Wechselwirkungen zwischen den Prozesseinheiten können untersucht und das dynamische Verhalten sowie An- und Abfahrverhalten überprüft werden. Zudem können erste Studien zu Langzeiteffekten durchgeführt werden. Insgesamt stellt die Miniplant also ein Abbild des späteren technischen Prozesses dar. Vorteilhaft ist dabei, dass in Miniplants standardisierte Laborgeräte (wie z.B. Wärmetauscher, Pumpen und Reaktoren) zum Einsatz kommen. Dadurch sind Miniplants platzsparender, flexibler und kostengünstiger als klassische Pilotanlagen. Zusätzlich sind apparative Umbauten relativ schnell durchzuführen.

Bei der Maßstabsvergrößerung ist die Auslegung der chemischen Reaktoren im Hinblick auf Form, Größe und Betriebsweise genauso wichtig wie die Auslegung der Trennkonzepte für die geforderte Produktionsmenge. Ziel ist hierbei stets ein möglichst großer Scale-Up Faktor zur Einsparung von Entwicklungszeit und der Kosten. Das in der Miniplant entwickelte Verfahrenskonzept sowie die erzeugten Versuchsergebnisse stellen die Grundlage für ein sicheres Scale-up in den technischen Maßstab dar.

In unserer Arbeitsgruppe beschäftigen wir uns mit der Maßstabsvergrößerung verschiedener Prozesse. Bei der Mehrheit unserer Projekte wird nach der Optimierung des Systems eine Maßstabsvergrößerung vorgenommen und eine Durchführung der Prozesse in einer Miniplant angestrebt. Hierbei führen wir alle Schritte von der Konzeptionierung, dem Aufbau und der Inbetriebnahme der Miniplants selbst durch und erarbeiten ebenfalls die benötigten Sicherheitskonzepte für den sicheren Betrieb der Miniplants.

Ansprechpartnerin: Dr.-Ing. Dorothea Voß

Die Gewinnung von Plattformchemikalien aus Biomasse ist ein zentrales Anliegen der chemischen Industrie und letztendlich der Gesellschaft. Dabei sollen bestehende Prozesse von fossilen Edukten hin zu nachwachsenden Rohstoffen umgestellt werden. Ein beispielhafter Prozess dafür ist der OxFA-Prozess, bei dem Biomasse mit Hilfe eines Katalysators in Wasser oxidativ in Ameisensäure und CO2 umgewandelt wird. Der Katalysator muss im Reaktionsverlauf fortwährend oxidiert werden, da er nur in der oxidierten Form aktiv ist. Diese Reoxidation erfolgt dabei in der wässrigen Phase mit molekularem Sauerstoff, welcher in das Reaktionsmedium eingetragen werden muss.

Diese Mehrphasenreaktion ist stofftransportlimitiert, da der Stoffübergang des Sauerstoffs in die wässrige Phase langsamer ist als die Oxidation des eingesetzten Substrats. Diese Limitierung muss überwunden werden, damit die Reaktion schneller ablaufen kann. Ein vielversprechender Reaktor für diese Aufgabe ist ein Strahlschlaufenreaktor oder auch jet loop reactor (Abbildung 1).

UHH/Albert

In diesem Reaktor wird die Flüssigkeit im Reaktor durch eine Pumpe unten aus dem Reaktor angesaugt und oben im Reaktor durch eine Düse zurückgeführt. Der benötigte Sauerstoff wird durch eine Kapillare durch die Düse geführt und tritt am Düsenauslass aus. Durch die effiziente Umwälzung des Reaktionsmediums kann im Reaktor eine äußerst homogene Konzentrations- und Temperaturverteilung gewährleistet werden.

Ansprechpartner: Daniel Niehaus
E-Mail: daniel.niehaus"AT"uni-hamburg.de

Basierend auf der aktuellen Debatte bezüglich Schadstoffausstoß werden immer strengere Umweltschutzbestimmungen für die Verbrennung flüssiger Kraftstoffe beschlossen. So auch für den Stickoxid- und Feinstaubausstoß von Kraftfahrzeugen. Einerseits müssen höhere Verbrennungstemperaturen erreicht werden, um Feinstaub zu reduzieren, andererseits wird dadurch aber mehr NO_x produziert. Um speziell den NO₂ Grenzwert von 34 ppbw in der Außenluft einzuhalten, ist eine weitestgehend vollständige Stickstoffentfernung aus flüssigen Kraftstoffen unumgänglich.

Die derzeitig verwendete Technologie zur Stickstoffentfernung basiert auf der Hydrierung von Stickstoffverbindungen mittels NiMo- oder CoMo- Festbett-Katalysatoren (Hydrodenitrification, HDN).

Eine Alternative zu der aufwendigen HDN bietet die oxidative Stickstoffentfernung (Oxidative Denitrification, ODN). Dabei werden die organischen Stickstoffverbindungen mittels eines geeigneten Oxidationsmittels und dem entsprechenden Katalysator zu CO₂ und N₂ oxidiert. Katalysatorsysteme die sich hierfür eignen sind Polyoxometallate. Die Reaktionstemperaturen für die ODN liegen bei 30 °C – 120 °C und sind somit signifikant niedriger als bei der HDN. Als Oxidationsmittel findet üblicherweise Wasserstoffperoxid Einsatz, jedoch zeigen erste Versuche mit elementarem Sauerstoff gute Ergebnisse, wodurch dies eine kostengünstigere und grüne Alternative bietet.

Unser Ziel ist es, das bereits etablierte System der Extraction Coupled Oxidative Desulfurization (ECODS) mit dem wasserlöslichen Polyoxometallat-Katalysatorsystem HPA-5 (H₈PV₅Mo₇O₄₀), um die oxidative Entfernung von Heteroatomen wie Stickstoff und Sauerstoff zu erweitern. Hierfür werden speziell Indole und Furane, sowie deren Derivate als Modellverbindungen verwendet. Dabei soll neben der Charakterisierung der Reaktionsprodukte auch Einflüsse wie Matrixeffekte oder Kraftstoffgemische untersucht werden. Zudem soll eine Vereinfachung des Katalysatorsystems bestehend aus HPA-1/VOSO₄ untersucht werden.

Dieses Projekt wird gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von Prof. Jess am Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik der Universität Bayreuth bearbeitet. Des Weiteren kooperieren wir eng mit der Arbeitsgruppe von Dr. Skiborowski der TU Dortmund im Bereich der Produktaufreinigung. Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unter dem Förderkennzeichen AOBJ: 655412 über einen Zeitraum von drei Jahren großzügig gefördert.

Ansprechpartner/in: Michael Huber

Die Entwicklung neuer Technologien zur Speicherung und zum Transport regenerativ gewonnener Energie und deren Überschüsse ist notwendig, um eine flexible Energieversorgung zu gewährleisten.

In diesem Zusammenhang ist elektrolytisch hergestellter Wasserstoff und dessen Einsatz in Power-to-X-Verfahren ein potenzieller Lösungsansatz. Dabei wird mittels regenerativer Energien Wasserstoff aus Wasser erzeugt und anschließend mit CO₂ zu organischen Grundchemikalien oder Kraftstoffen (Power-to-Liquid) umgesetzt. Das dafür nötige CO₂ kann aus der Atmosphäre abgeschieden oder bei industriellen Prozessen aufgefangen werden. Die Hydrierung von CO₂ zu Methanol zeigt eine vielversprechende Anwendung für die chemische Energiespeicherung:

CO₂ + 3 H₂ ⇋ CH₃OH + H₂O

Methanol ist ein bedeutender Ausgangsstoff zur Herstellung von Plattformchemikalien, wie beispielsweise Formaldehyd, Dimethylether, Olefinen und Essigsäure. Des Weiteren besitzt Methanol große Bedeutung für die chemische und materialverarbeitende Industrie.

Als kommerzieller Katalysator für die Methanolsynthese aus einem CO/CO₂-Gemisch wird zurzeit ein Cu/ZnO/Al₂O₃-System verwendet. Unter typischen Reaktionsbedingungen (T= 220-300°C; p< 100 bar) wird ein Umsatz von X_CO2 ≤ 30% erzielt, die Selektivität zu Methanol S_MeOH variiert dabei von 30-70%. Indium-basierte Katalysatoren stellen eine vielversprechende Alternative dar. Sie weisen unter ähnlichen Reaktionsbedingungen sowohl eine verbesserte CO₂-Adsorptionskapazität, eine höhere Methanolselektivität als auch eine gesteigerte Langzeitstabilität auf (Abbildung 1).

Ziel des Projektes ist es, durch Änderung verschiedenster Parameter die Leistungsfähigkeit und Stabilität Indium-basierter heterogener Katalysatoren zu steigern. Durch Einbau unterschiedlicher Dotierungen oder Aufbringen von In₂O₃ auf verschiedene Trägermaterialien soll die Möglichkeit zur Synthese von längerkettigen Kohlenwasserstoffen untersucht werden. Die Testung erfolgt unter industrienahen Bedingungen im Festbett- und Suspensionsreaktor (Abbildung 2).

In Kooperation mit der Universität Duisburg-Essen erfolgt die Weiterentwicklung der vielversprechenden Synthesemethode für heterogene Katalysatoren mittels gepulster Laserablation. Vorteile, wie eine hohe Reinheit der synthetisierten Materialien und einer kosteneffizienten Skalierbarkeit ermöglichen hierbei ein gezieltes Design des geträgerten In₂O₃-Katalysators.

Ansprechpartner/in: Anne Wesner, Philipp Kampe

Sowohl der Kampf gegen den fortschreitenden Klimawandel, als auch die derzeit herausfordernde geopolitische Lage, machen es zunehmend schwierig, die Energieversorgung in Europa zuverlässig zu gewährleisten. Um unsere Abhängigkeit von fossilen Energieträgern und von den politischen Mächten die sie kontrollieren, zu minimieren, setzt unsere Gesellschaft verstärkt auf die Nutzung von erneuerbaren Energiequellen, wie Photovoltaik und Windkraft. Die so erzeugte elektrische Energie hat jedoch den Nachteil, dass sie nicht immer im gleichen Maße zur Verfügung steht und schwierig zu speichern ist. Dieser Nachteil kann durch den Einsatz chemischer Energiespeicherungskonzepte ausgeglichen werden. Dazu wird die elektrische Energie, wenn sie im Überschuss vorhanden ist, zur Elektrolyse von Wasser eingesetzt, wobei Wasserstoff (H2) erzeugt wird. Der so gewonnene „grüne Wasserstoff“ kann dann zur Herstellung chemischer Energieträger, wie zum Beispiel Dimethylether (DME), eingesetzt werden.

DME hat einen Siedepunkt von -24.8 °C, kann aber bei geringem Druck verflüssigt werden und kann daher auf ähnliche Weise transportiert und gelagert werden wie konventionelles Flüssiggas (Propan/Butan). Seine Verbrennungseigenschaften machen DME als Alternative zu Dieselkraftstoff interessant. Dabei verbrennt DME wesentlich sauberer als konventioneller Dieselkraftstoff, d.h. es werden weniger Feinstaub sowie Schwefel- und Stickoxide emittiert. Dies macht DME als nachhaltigen Kraftstoff für Baumaschinen, für Land- und forstwirtschaftliche Nutzfahrzeuge, oder für den Katastrophenschutz (Fahrzeuge, Notstromaggregate) interessant. Des Weiteren kann DME analog zu Flüssiggas zur Wärmeerzeugung genutzt werden, und auch der Einsatz in Verbrennungskraftwerken zur Stromerzeugung ist denkbar.

UHH/Albert

Aktuell wird DME in einem mehrstufigen Prozess aus fossilen Rohstoffen hergestellt. Dieser Prozess ist mit vielen Nachteilen behaftet u.a. ist er sehr energieintensiv. Diese Probleme wollen wir durch Anwendung eines neuen Katalysatorkonzepts lösen, und die Synthese von DME aus CO₂ und grünem Wasserstoff, effizient in einem einzigen Schritt realisieren.

Die Verwendung von CO₂ zur Herstellung von DME ermöglicht es, das energieintensive „Steam Reforming“ von fossilen Rohstoffen zu vermeiden. Bei der Verbrennung von DME wird dann nur so viel CO₂ wieder freigesetzt wird, wie vorher darin gebunden wurde. Dieses kann dann recycelt werden um die Freisetzung in die Atmosphäre zu vermeiden. (Abbildung1)

Im Rahmen des Projekts wollen wir bekannte, für CO₂ geeignete Methanol-Synthese-Katalysatoren mit, für die DME-Bildung notwendigen, Säurekatalysatoren kombinieren. Für die Säurekatalyse eigenen sich besonders die sogenannten Heteropolysäuren. Dabei handelt es sich um molekulare Metalloxid-Verbindungen, die in ihrer protonierten Form eine hohe Brönstedt Azidität aufweisen. Daneben zeichnen sie sich durch eine hohe thermische Stabilität aus, die sie für die Verwendung unter Prozessbedingungen bis zu 300 °C einsetzbar machen.

Ziel des Projekts ist es die heterogen katalysierte Methanol-Synthese ausgehend von CO₂ sowie die anschließende Methanol-Dehydratisierung zu DME, in einem Prozessschritt durchzuführen. Damit möchten wir einen nachhaltigen und umweltfreundlichen Prozess zur chemischen Energiespeicherung entwickeln.

Dieses Projekt wird im Rahmen des Förderprogramms „Call4Transfer“ (Fördernummer: C4T839) durch die Hamburg Innovation GmbH im Zeitraum April 2023-März 2024 gefördert.

 Ansprechpartner/Projektleiter: Dr. Maximilian J. Poller(maximilian.poller"AT"uni-hamburg.de)

Lignocellulose Biomasse ist eine der wichtigsten erneuerbaren Ressourcen zur nachhaltigen Produktion von Biotreibstoffen, bio-basierten Materialien und Plattformchemikalien. Lignocellulose Biomasse wird aus atmosphärischem CO₂, Wasser und Sonnenlicht mittels Photosynthese hergestellt. Da das CO₂, das während der Umsetzung der Biomasse frei wird, zuvor aus der Atmosphäre in der Biomasse gespeichert wurde, wird von einem CO₂-neutralen Prozess gesprochen. Zudem kann lignocellulose Biomasse in großen Mengen bereitgestellt werden und kann daher als vielversprechende Alternative zu fossilen Ressourcen angesehen werden.

Durch die hohe Komplexität und Inhomogenität von lignocelluloser Biomasse ist deren selektive Umsetzung allerdings sehr anspruchsvoll. Typischerweise besteht sie aus Hemicellulose (25 %), Lignin (25 %), Cellulose (40 %) und 10 % anderen Bestandteilen.

Cellulose ist ein besonderes interessantes Produkt für Materialanwendungen, wie beispielsweise die Papierindustrie. Hemicellulose und Lignin hingegen können zur Energieerzeugung oder für die Herstellung von Plattformchemikalien genutzt werden. Durch den höheren Marktwert von Cellulose im Vergleich zu Hemicellulose und Lignin, gibt es verschiedene Ansätze lignocellulose Biomasse in die einzelnen Bestandteile zu zerlegen. Diese sogenannte Fraktionierung ermöglicht die Nutzung von Cellulose für beispielsweise die Papierindustrie und die Weiterverarbeitung von Lignin und Hemicellulose zur Energieerzeugung oder zur Herstellung von Plattformchemikalien.

Ameisensäure ist eine wichtige Plattformchemikalie, die beispielsweise in der Futtermittel-, Arzneimittel- oder Textilindustrie Anwendung findet. Zudem kann Ameisensäure als auf Kohlenstoffdioxid geträgertes Wasserstoffäquivalent betrachtet werden. Durch den flüssigen Aggregatszustand und die Stabilität unter Normbedingungen hinsichtlich Handhabung, Transport und Lagerung stellt Ameisensäure einen attraktiven, chemischen Wasserstoffspeicher dar.

In unserer Arbeitsgruppe beschäftigen wir uns mit der Fraktionierung lignocelluloser Biomasse kombiniert mit einer selektiven in-situ Umsetzung von Hemicellulose und Lignin zu Ameisensäure. Die so erhaltene Cellulose kann anschließend abfiltriert und für weitere Anwendungen genutzt werden. Hierfür werden in unserer Arbeitsgruppe verschiedene Katalysatoren aus der Substanzklasse der Polyoxometallate entwickelt und spezielle Reaktionsmatrizen eingesetzt. Dieses Projekt bearbeiten wir gemeinsam mit unseren akademischen (Imperial College London) und industriellen Partnern (Chrysalix, UK und OxFA GmbH, DE).

Ansprechpartner/in: Anna Bukowski

Im Zuge der deutschen nationalen Wasserstoffstrategie sowie eines Call of Action der Kanadischen Regierung wurden ähnliche Ziele zur Entwicklung einer Wasserstoffwirtschaft festgelegt. In Kooperation mit der Mc Master Universität in Hamilton soll in diesem Projekt die Anwendung von biogener Ameisensäure als Wasserstoffspeichermolekül evaluiert werden. Wird Wasserstoff im gasförmigen Zustand gespeichert, bedeutet das eine Kompression auf 700 bar bei einer Energiedichte von 5,0 MJ/L (vergleichsweise Benzin 32 MJ/L). Dieses Vorgehen ist teuer, energieintensiv und mit einem Sicherheitsrisiko verbunden, da Wasserstoff mit Sauerstoff ein explosives Gasgemisch bildet. Deshalb wird an alternativen sicheren Speichermöglichkeiten für Wasserstoff geforscht. Ameisensäure besteht chemisch gesehen aus 2 Wasserstoffatomen zusammen mit einem Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatomen (HCOOH). Deshalb kann sie sowohl zu Wasserstoff und CO₂ als auch zu CO und Wasser umgesetzt werden, weshalb sie nicht nur zur Wasserstoffspeicherung, sondern auch als Synthesegasäquivalent (H2/CO) verwendet werden kann. Es besteht die Möglichkeit, Ameisensäure nachhaltig durch Umsetzung von nachwachsenden Rohstoffen (z.B. Holz) mit Hilfe von Polyoxometallaten herzustellen (OxFA Prozess). Sie ist flüssig bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck, nicht giftig und dementsprechend leicht handhabbar. Ameisensäure besitzt eine 20% höhere Energiedichte als Wasserstoff (6,4 MJ/L). Aufgrund der nachhaltigen Herstellung der Ameisensäure kann der gesamte Prozess als CO₂- neutral betrachtet werden.

Durch die enge Zusammenarbeit unserer Arbeitsgruppe und der Arbeitsgruppe von Prof. Adams II an der Mc Master Universität in Hamilton, Kanada soll eine ökologische, nachhaltige Produktionsroute für Ameisensäure als grüner Wasserstoffträger aus kanadischen Holzchips untersucht werden. Hierbei werden die drei notwendigen Schritte: Produktion von Ameisensäure aus nachwachsen Rohstoffen, Speicherung und Transport von Ameisensäure sowie Gewinnung von Wasserstoff aus Ameisensäure untersucht. Unsere Arbeitsgruppe wird sich mit den Laborexperimenten und der praktischen Umsetzung der verschiedenen Schritte beschäftigen. Die Arbeitsgruppe von Prof. Adams II wird sich mit der theoretischen Simulation von Scale-Up Konzepten und der Bewertung des Prozesses mit Hilfe eines Life Cycle Assessment (LCA) beschäftigen.

Das Projekt „Biogene Ameisensäure als nachhaltiger Wasserstoffträger (BioFA)“ wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen einer deutsch-kanadischen Kooperation im Förderbereich „Mobilität mit Kanada 2021“ ab 01.10.2021 gefördert.

Ansprechpartner/in: Stefanie Wesinger

Da die fossilen Rohstoffe zur Energie- und Chemikalienerzeugung endlich sind, gewinnen alternative, nachwachsende Rohstoffe wie Biomasse immer mehr an Bedeutung. Die Umsetzung von Biomasse bietet die Möglichkeit, sowohl chemische Produkte, als auch sekundäre Energieträger nachhaltig zu produzieren. Anschließend können diese nachhaltig produzierten Chemikalien weiter zu Plattform- oder Feinchemikalien umgesetzt werden.

Im Rahmen dieses Projektes werden nachhaltig hergestellte Verbindungen wie Dimethylfuran, Methylfuran oder Furan mit Wasserstoff zu linearen Alkoholen wie Bio-Hexanol, Bio-Pentanol oder Bio-Butanol hydriert. Diese Bio-Alkohole werden unter anderem als Lösungsmittel zur Extraktion von ätherischen Ölen, Naturharzen, Farbstoffen und Antibiotika, als auch als Bestandteil von Hydraulik- und Bremsflüssigkeiten eingesetzt. Zusätzlich wird Butanol als potenzieller Biokraftstoff (Butanolkraftstoff) angesehen, der Diesel- und Benzinkraftstoffe ersetzen kann. Zur Hydrierung der Ausgangskomponenten werden sowohl kommerziell erhältliche Katalysatoren, als auch spezielle Katalysatoren aus der Klasse der Polyoxometallate eingesetzt. Dabei gilt es sowohl den Prozess zur Herstellung verschiedener Bio-Alkohole selbst, als auch die eingesetzten Katalysatoren zu optimieren.

Dieses Projekt wird seit April 2019 durch den DAAD im Rahmen eines German Egyptian Research Long-term Scholarship (GERLS) gefördert.

Ansprechpartner/in: Magdy Sherbi

Im Rahmen langfristiger bemannter Raumfahrtmissionen ist eine regelmäßige Nachversorgung der Besatzung mit den notwendigen metabolischen Verbrauchsmaterialien technisch und wirtschaftlich nicht machbar. Daher muss die Leistungsfähigkeit der Lebenserhaltungssysteme (engl.: Life Support Systems, kurz: LSS) erhöht werden. Neben den Funktionen der Luftrevitalisierung und Wasserrückgewinnung werden künftige LSS auch Funktionen des Abfallrecyclings und der Nahrungsmittelproduktion umfassen. Ein Beispiel für einen solchen geschlossenen LSS-Kreislauf ist MELiSSA. MELiSSA zielt auf die Rückgewinnung von Sauerstoff, Wasser und Nahrung durch die Umwandlung organischer Abfälle, die während einer bemannten Raumfahrtmission anfallen. Der Abfallstrom, der vom MELiSSA-Kreislauf betrachtet wird, besteht hauptsächlich aus lignocellulosehaltigen Materialien, die aus der Produktion von Nutzpflanzen und aus festen Stoffwechselabfällen, die von der Besatzung produziert werden, stammen.

Die vollständige Umwandlung von lignocellulosehaltigen Materialien in Ameisensäure und CO₂ (OxFA-Verfahren) unter milden Temperaturen und oxidativer Atmosphäre wurde unter Verwendung von Polyoxometallaten (POMs) als Katalysatoren nachgewiesen. Die Verwendung von POMs (z.B. POMs vom Keggin-Typ) mit einer hohen CO₂-Selektivität hat das Potential, die Bildung von CO₂ anstelle von Ameisensäure aus lignocellulosehaltigem Material zu begünstigen. Diese Möglichkeit soll tiefgründig erforscht werden.

 Im Rahmen dieses Projekts wird die vollständige Oxidation des Kohlenstoffs, der im lignocellulosehaltigen Teil des MELiSSA-Abfallstroms enthalten ist, untersucht und die Durchführbarkeit der vollständigen Oxidation der flüchtigen Fettsäuren, die vom MELiSSA-Abfallkompartiment produziert werden, bewertet. Die Rückgewinnung von Mineralien (z.B. Nitrat, Sulfat und Phosphat) aus dem Reaktionsgemisch wird ebenfalls untersucht.

Ansprechpartner/in: Stefanie Wesinger

Die nachhaltige Herstellung von Plattformchemikalien ist eine der größten Herausforderungen der chemischen Industrie in der heutigen Zeit. Acrylsäure (englisch: acrylic acid, AA) ist eine solche Plattformchemikalie. Durch die zwei enthaltenen funktionellen Gruppen weist Acrylsäure eine hohe Reaktivität auf und ist demnach für einen weiten Anwendungsbereich für die Industrie von großem Interesse. So kann AA beispielsweise zu verschiedenen Acrylsäureestern oder Acrylchloriden umgesetzt werden. Zudem lässt sich Acrylsäure einfach zu Polyacrylsäure (englisch: polyacrylic acid, PAA) polymerisieren. Die verschiedenen Acrylate sowie PAA können anschließend beispielsweise als Kunststoffe, als Oberflächenbeschichtungen oder auch in der Kosmetikindustrie eingesetzt werden. Besonders die flüssigkeitsabsorbierenden Eigenschaften von PAA sind hierbei von großem Interesse, sodass Polyacrylsäure unter anderem als „Superabsorber“ für die Herstellung von Einwegwindeln eingesetzt wird.

 Derzeit wird Acrylsäure hauptsächlich durch Oxidation von Propen in der Gasphase hergestellt. Neben der Tatsache, dass es sich bei Propen um einen fossilen Rohstoff aus der Erdölindustrie handelt, sind weitere Nachteile dieses Prozesses die hohen Temperaturen die im Prozess benötigt werden, das komplexe Downstreaming zur Produktaufreinigung und die Lagerung der toxischen Zwischenprodukte.

In Kooperation mit unserem Partner Nitto Denko entwickeln wir einen alternativen Flüssigphasenprozess zur nachhaltigen Herstellung von Acrylsäure aus Glycerin. Das eingesetzte Glycerin ist als Nebenprodukt in der Biodieselherstellung mit rund 3.5 MioT/a sowohl einfach und günstig als auch nachhaltig als Substrat verfügbar.

Um das gesetzte Klimaziel zu erreichen, sind unter anderem CO₂-neutrale Antriebskonzepte im Verkehrssektor sinnvoll. Neben Elektrofahrzeugen bieten biomasse-basierte Kraftstoffe und e-Fuels ein hohes Potential zur CO₂-Minderung. Durch den Einsatz der regenerativen Kraftstoffe in Otto-, Diesel oder Hybridfahrzeugen kann ein geschlossener Kohlenstoffkreislauf entstehen, da der Atmosphäre das CO₂, das bei der Verbrennung freigesetzt wird, zur Herstellung der Kraftstoffe wieder entzogen wird.

Durch längere Transportwege der regenerativen Kraftstoffe, wie beispielsweise verschiedener Alkohole, kann es zur Kraftstoffalterung kommen und es können unerwünschte Abbauprodukte entstehen.

Ein Ziel des Projektes, das in Kooperation mit der Hochschule Coburg durchgeführt wird, ist die Massenbilanzierung der gealterten Kraftstoffe. Hierfür werden verschiedene Kraftstoffe thermisch oxidiert und nach der Alterung analysiert. Dadurch sollen die verschiedenen Reaktionsmechanismen der Alterungsprozesse mehrerer Kraftstoffe erschlossen und die Alterungsprodukte in der flüssigen Phase und in der Gasphase quantifiziert werden.

Des Weiteren wird ein Sensorkonzept entwickelt, um den Alterungsgrad verschiedener regenerativer Kraftstoffe, sowie die für die Verwendung nötigen Kraftstoffparameter zu bestimmen. Dadurch soll gewährleistet werden, dass sich die physikalischen Eigenschaften während der Alterung durch die Entstehung weitere Alterungsprodukte nicht zu stark verändern.

Das Projekt wird durch die Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V. (FVV) unter der Förderkennziffer 6013424 gefördert.

Ameisensäure und ihre Ester (Formiate) sind eine wichtige Plattformchemikalie, die in verschiedenen Industrien ihre Anwendung findet. Im Erlanger OxFA-Prozess wird Ameisensäure aus unterschiedlichen Biomassen in Wasser unter sehr milden Bedingungen mit hoher Produktselektivität mit Hilfe von Polyoxometallaten hergestellt. Wird dieser Prozess jedoch in methanolischen Lösungen durchgeführt, kann die kombinierte Ameisensäureausbeute deutlich gesteigert werden. Das Hauptprodukt Methylformiat (Methylester der Ameisensäure) kann hierbei leicht destillativ abgetrennt werden. Im Hauptprojekt in Kooperation mit dem Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg sollen aus der biogenen Ameisensäure, bzw. dem biogenen Methylformiat, kurzkettige Oxymethylenether (OME_3-5) nachhaltig produziert werden. Diese können anschließend als emissionsmindernder Kraftstoff-Zusatz Verwendung finden und eine deutliche Verringerung von NOx- und Partikelemissionen bewirken.

Für die alkoholische Prozessführung wurde noch keine Katalysatoroptimierung durchgeführt. Hierfür soll zunächst die Wirkung des verwendeten Katalysators im Zusammenspiel mit dem verwendeten alkoholischen Reaktionsmedium in der Reaktion untersucht werden. Hieraus folgend soll eine strukturelle und chemische Anpassung des Katalysators stattfinden, sodass die Effizienz und Selektivität hochgradig gesteigert werden kann. Diese Optimierung verspricht vor allem in Hinblick auf die Reaktionsgeschwindigkeiten bei verringerten Sauerstoffpartialdrücken ein bedeutendes Potential und eine sprunghafte Leistungssteigerung des so modifizierten Prozesses. In Kooperation mit dem Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg werden die optimierten Prozessbedingungen und Katalysatoren weitergehend in einen kontinuierlichen Prozess mit Hilfe von Mikroreaktionstechnik überführt.

Ansprechpartner: Jan Krueger
E-Mail: jan-dominik.krueger"AT"chemie.uni-hamburg.de

Methanol Steam Reforming mit Indium-basierten Katalysatoren

UHH/Herrmann

Methanol ist ein hervorragender Wasserstoffträger, lässt sich leicht lagern, über große Entfernungen verlustfrei transportieren und besitzt eine höhere volumetrische Energiedichte als reiner Wasserstoff. Methanol hat zudem ein hohes Wasserstoff-Kohlenstoff-Verhältnis, ist frei von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen und kann bei geeigneten Bedingungen Wasserstoff freisetzen. Darüber hinaus kann Methanol bereits mit unserer derzeitigen Energieinfrastruktur transportiert werden. Dies ermöglicht den Energietransfer von Gebieten mit viel erneuerbarer Energie in Gebiete, in denen viel Wasserstoff benötigt wird und der nicht vor Ort produziert werden kann. Dazu gehören die Schwerindustrie und der Energiebedarf ganzer Länder, die durch Häfen und Pipelines leicht angeschlossen werden können. Ohne sie werden weiterhin viele fossile Brennstoffe benötigt, um den Energiebedarf dieser Länder zu decken.

Die Methanol-Dampfreformierung (MSR) ist ein wichtiges Bindeglied für die Bereitstellung großer Mengen an Wasserstoff für Energie- und Industrieprozesse. Durch die Zugabe von Dampf zur Reformierung kann auch der im Wasser gebundene Wasserstoff freigesetzt werden, wodurch die Wasserstoff-Ausbeute erhöht wird. In früheren Forschungsarbeiten haben Katalysatoren auf Indiumbasis, die auf Zirkoniumdioxid geträgert sind, gute Ergebnisse bei der umweltfreundlichen Synthese von Methanol unter Verwendung von Wasserstoff und CO2 gezeigt und könnten auch für die MSR-Reaktion geeignet sein.

In diesem Projekt werden verschiedene Katalysatoren auf Indiumbasis in einem dynamischen Festbettreaktor auf ihre Aktivität für das MSR getestet. Anschließend werden die Katalysatorstruktur sowie -zusammensetzung sowie die Reaktionsbedingungen, wie Temperatur, Druck, Dampf/Methanol optimiert.

Ansprechpartner: Nick Herrmann
E-Mail: nick.herrmann"AT"uni-hamburg.de

Selektive Hydrierung von 1-Indanon über Pt/SBA-15-Katalysator in einem Slurry-Reaktor

Die selektive Reduktion von ungesättigten aromatischen Carbonylverbindungen zu den entsprechenden Alkoholen ist für die Entwicklung von Feinchemikalien von großer Bedeutung. Für die Reduktion von Carbonylverbindungen werden starke anorganische Reduktionsmittel wie LiAlH4 oder NaBH4 eingesetzt. Diese weisen (je nach Reaktionsbedingungen) eine hohe Selektivität auf und werden vor allem in der Synthese von organischen Feinchemikalien eingesetzt. Aufgrund der schlechten Atomökonomie und der schwierigen Handhabung ist ihr Einsatz in größerem Maßstab begrenzt.

Die Reaktionen sollen in einem Slurry-Reaktor mit Hochdruckwasserstoff in einer heterogenen Dreiphasenreaktion durchgeführt werden. In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Nanomaterialien CAN stehen der Arbeitsgruppe neue Katalysatoren und Materialien zur Verfügung. Diese sollen an der Modellreaktion untersucht werden. Ziel ist es, den Einfluss verschiedener Katalysatoren auf die Selektivität der Hydrierung an der Modellsubstanz 1-Indanon zu untersuchen.

UHH/Herrmann

Für die Produktanalyse stehen verschiedene Methoden wie GC-MS, HPLC und NMR zur Verfügung. Für eine genauere Analyse eines vielversprechenden Katalysators können ICP-OES, XRD, TEM sowie H2-TPR eingesetzt werden.

Ansprechpartner: Nick Herrmann
E-Mail: nick.herrmann"AT"uni-hamburg.de

Analyse und Beratung zu technischem Lignin für die Bioraffinerie

Um unsere chemische Industrie nachhaltiger zu machen, ist es notwendig, von fossilen Rohstoffen wegzukommen und stattdessen erneuerbare Rohstoffe zu verwenden. Ein sehr vielversprechender Rohstoff ist lignocellulose-haltige Biomasse. Während jedoch der Zellulosegehalt bereits weitgehend in Form von Papier und verwandten Materialien genutzt wird, wird das enthaltene Lignin bisher als Abfall behandelt. Für eine nachhaltigere Nutzung des Rohstoffs wäre es von großem Vorteil, diese Lignin-Abfallströme aus der Zellstoff- und Papierindustrie zu nutzen. Dies ist von besonderem Interesse, da Lignin eine potenziell nachhaltige Quelle für aromatische Verbindungen ist, die bisher ausschließlich aus fossilen Ressourcen gewonnen werden. Zu diesem Zweck untersuchen wir die chemische Zusammensetzung verschiedener Ligninproben aus unterschiedlichen technischen Prozessen mit dem Ziel, unsere Partner aus der H&R-Gruppe bei der Bewertung ihrer Eignung für den Einsatz in Bioraffinerien zu unterstützen.

Lignocellulose Biomasse ist eine der wichtigsten erneuerbaren Ressourcen zur nachhaltigen Produktion von Biotreibstoffen, bio-basierten Materialien und Plattformchemikalien. Lignocellulose Biomasse wird aus atmosphärischem CO₂, Wasser und Sonnenlicht mittels Photosynthese hergestellt. Da das CO₂, das während der Umsetzung der Biomasse frei wird, zuvor aus der Atmosphäre in der Biomasse gespeichert wurde, wird von einem CO₂-neutralen Prozess gesprochen. Zudem kann lignocellulose Biomasse in großen Mengen bereitgestellt werden und kann daher als vielversprechende Alternative zu fossilen Ressourcen angesehen werden.

Durch die hohe Komplexität und Inhomogenität von lignocelluloser Biomasse ist deren selektive Umsetzung allerdings sehr anspruchsvoll. Typischerweise besteht sie aus Hemicellulose (25 %), Lignin (25 %), Cellulose (40 %) und 10 % anderen Bestandteilen.

Cellulose ist ein besonderes interessantes Produkt für Materialanwendungen, wie beispielsweise die Papierindustrie. Hemicellulose und Lignin hingegen können zur Energieerzeugung oder für die Herstellung von Plattformchemikalien genutzt werden. Durch den höheren Marktwert von Cellulose im Vergleich zu Hemicellulose und Lignin, gibt es verschiedene Ansätze lignocellulose Biomasse in die einzelnen Bestandteile zu zerlegen. Diese sogenannte Fraktionierung ermöglicht die Nutzung von Cellulose für beispielsweise die Papierindustrie und die Weiterverarbeitung von Lignin und Hemicellulose zur Energieerzeugung oder zur Herstellung von Plattformchemikalien.

Ameisensäure ist eine wichtige Plattformchemikalie, die beispielsweise in der Futtermittel-, Arzneimittel- oder Textilindustrie Anwendung findet. Zudem kann Ameisensäure als auf Kohlenstoffdioxid geträgertes Wasserstoffäquivalent betrachtet werden. Durch den flüssigen Aggregatszustand und die Stabilität unter Normbedingungen hinsichtlich Handhabung, Transport und Lagerung stellt Ameisensäure einen attraktiven, chemischen Wasserstoffspeicher dar.

In unserer Arbeitsgruppe beschäftigen wir uns mit der Fraktionierung lignocelluloser Biomasse kombiniert mit einer selektiven in-situ Umsetzung von Hemicellulose und Lignin zu Ameisensäure. Die so erhaltene Cellulose kann anschließend abfiltriert und für weitere Anwendungen genutzt werden. Hierfür werden in unserer Arbeitsgruppe verschiedene Katalysatoren aus der Substanzklasse der Polyoxometallate entwickelt und spezielle Reaktionsmatrizen eingesetzt. Dieses Projekt bearbeiten wir gemeinsam mit unseren akademischen Partnern vom Imperial College London.

Ansprechpartner:

•  Stefanie Wesinger
  E-Mail: stefanie.wesinger"AT"chemie.uni-hamburg.de
  Tel.: +49 40 42838 – 6047 

Der weltweit wachsende Energieverbrauch, die zunehmende Abfallproduktion, sowie das steigende gesellschaftliche Umweltbewusstsein sind treibende Kräfte hinter der Entwicklung nachhaltiger Prozesse. Ferner führt die derzeitige Abhängigkeit der Energie- sowie Chemikalienerzeugung und letzlich der Gesellschaft von fossilen Rohstoffen, welche bekanntermaßen endlich sind, zur steigenden Bedeutung nachwachsender Rohstoffe wie Biomasse. Diese bietet das Potential durch innovative Prozesse Zugang zu nachhaltigen Plattformchemikalien und sekundären Energieträgern zu gewähren.

Es existiert allerdings nur eine geringe Anzahl an Prozessen, die Biomasse direkt in wertgesteigerte Chemikalien umsetzen. Ein Grund hierfür ist die Bildung schwer verarbeitbarer Nebenprodukte, wie Humine (Abb. 1), die beispielsweise bei der Herstellung von Lävulinsäure aus Lignocellulose entstehen können. Die Weiterverwendung dieser komplexen Humine stellt für die Forschung und Entwicklung eine erhebliche Herausforderung dar.

Das vorliegende Projekt befasst sich mit der Entwicklung eines nachhaltigen Prozesses zur oxidativen Umsetzung von Huminen zu niedermolekularen organischen Carbonsäuren (Ameisensäure, Essigsäure) unter Verwendung von homogenen Polyoxometallat-Katalysatoren (POM) in wässriger Phase (Abb. 2). Von Vorteil sind dabei die relativ milden Reaktionsbedingungen und der verhältnismäßig geringe Preis der edelmetallfreien Katalysatoren.

Ein übergeordnetes Ziel des Projektes ist es erstmalig ein grundlegendes Verständnis der bisher gänzlich neuen Umsetzung von Huminen zu Carbonsäuren bezüglich der technischen Realisierung durch reaktionstechnische Untersuchungen zu erlangen. Dabei wird auch ein besonderes Augenmerk auf die Synthese der POM-Strukturen mit für die Oxidation geeigneten Eigenschaften gelegt. Darüber hinaus werden ebenfalls Untersuchungen zur Produktisolierung und zur Rezyklierung der eingesetzten Katalysatoren durchgeführt.

Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unter dem Förderkennzeichen AOBJ: 666125 über einen Zeitraum von drei Jahren großzügig gefördert.

Ansprechpartner/in: Andre Wassenberg (Synthese), Tobias Esser (Katalyse)

Die OxFA GmbH (Auftraggeber) erhält vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie (StMWi) Förderung für das Projekt „Erforschung der Freisetzung und Verstromung von biomassestämmigen Wasserstoff aus bio-Ameisensäure als Speicherstoff“.

Die Arbeitsgruppe Albert am Institut für Technische und Makromolekulare Chemie der Universität Hamburg (UHH) führt in einem Unterauftrag Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Abtrennung/Rezyklierung verschiedener Katalysatoren aus Prozessabwässern für den Auftraggeber durch. Ziel des Unterauftrags im o.g. Forschungsprojekt soll die Abtrennung/ Wiederverwendung des Katalysators bzw. die Aufreinigung von möglichen Prozessabwässern mittels Membranverfahren sein.

In enger Abstimmung beider Partner sollen mögliche Nebenströme der Oxidation und Dehydrierung hinsichtlich einer weiteren Verwendung bewertet werden. Dazu werden die Nebenströme wie Prozesswasser aus der Oxidation oder der Rektifikation des OxFA-Prozesses genauer untersucht und ggfs. für einen nachfolgenden Prozess weiterbehandelt.

Ansprechpartner: Leon Schidowski(leon.schidowski"AT"uni-hamburg.de)

Beginnend ab dem 01.04.2021 wird das Projekt „Kontinuierliche selektive oxidative Depolymerisierung von Lignin zu wertvollen Monoaromaten mittels Polyoxometallat-basierten Katalysatoren und just-in-time Produktentnahme (POMLig)“ durch die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) unter Industriebeteiligung unter dem Förderkennzeichen 2219NR439 für drei Jahre gefördert.

Lignin ist ein komplexes, hydrophobes aromatischen Makromolekül und stellt eines der häufigsten nachwachsenden, biobasierten Polymere auf der Erde dar. Aufgrund der vielen aromatischen Gruppen ist Lignin vor allem für die Produktion von niedermolekularen Aromaten von großem Interesse. Derzeit gibt es jedoch noch kein industrielles Verfahren zur selektiven Gewinnung der im Lignin enthaltenen aromatischen Verbindungen. Demnach werden niedermolekulare Aromaten zum heutigen Zeitpunkt hauptsächlich petrochemisch hergestellt. Die Produktion ist dadurch zum einen nicht ressourcenschonend und zum anderen auch direkt von der Verfügbarkeit fossiler Rohstoffe und dem Erdölpreis abhängig. Das nachwachsende Biopolymer Lignin hingegen fällt vor allem in der Papier- und Zellstoffindustrie, sowie bei Betrieben, die biogene Fasern verarbeiten als Nebenproduktstrom an. Statt diese Nebenproduktströme wie derzeit lediglich energetisch zu verwerten, sollen die ligninhaltigen Ströme im Rahmen des geförderten Projektes oxidativ zu niedermolekulare Aromaten depolymerisiert werden.

Ziel dieses Projektes ist eine effiziente und kontinuierliche Produktion von Monoaromaten, wie beispielsweise Vanillin, Methylvanillat, Syringaldehyd und Methylsyringat aus industriellen, ligninhaltigen Nebenproduktströmen. Dabei gilt es neben der Optimierung des Katalysatorsystems auch eine sogenannte just-in-time Entnahme der Zielprodukte aus dem Reaktionsmedium zu etablieren. Dadurch sollen weitere ungewünschte Folgereaktionen zwischen den Zielprodukten und dem Katalysator unterbunden und demnach die Ausbeuten der Wunschprodukte maximiert werden.

Der Abbau der ligninhaltigen Nebenproduktströme zu wertvollen monoaromatischen Materialien soll somit zur angestrebten Unabhängigkeit von fossilen Rohstoffen beitragen.

Ansprechpartner: Max Papajewski