Forschungsschwerpunkte
Die Arbeitsgruppe Albert forscht an der Substitution fossiler Basischemikalien durch nachwachsende Rohstoffe. In Zusammenarbeit mit industriellen und akademischen Partnern wird an alternativen Energiequellen und Chemiegrundstoffen gearbeitet, um eine nachhaltige, biobasierte Grundlage für die zukünftige industrielle Entwicklung zu schaffen.
Katalytische Wertschöpfung aus Biomasse - Teamleitung Jan Krüger
Chemische Energiespeicherung (Power-to-X) - Teamleitung Nick Herrmann
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.
Ansprechpartner: Nick Herrmann
E-Mail: nick.herrmann"AT"uni-hamburg.de
Nanomaterialien für die Katalyse - Teamleitung Dr. Maximilian Poller
Katalysatoren spielen eine zentrale Rolle in der modernen Chemie, da sie die Aktivierungsenergie von Reaktionen senken und so effizientere, energiesparende Prozesse ermöglichen. Im Zuge einer nachhaltigen Entwicklung ist ihre Bedeutung für die Transformation der chemischen Industrie wichtiger denn je.
Unsere Forschung unterstützt den Wandel von fossilen Ausgangsstoffen hin zu nachhaltigen Rohstoffen wie grünem Wasserstoff, Kohlendioxid (CO₂) und Biomasse. Dieser Übergang bedeutet einen grundlegenden Paradigmenwechsel: Statt Plattformchemikalien aus einfachen Kohlenwasserstoffen aufzubauen, gilt es nun, die gezielte Zerlegung hochfunktionalisierter Moleküle aus Biomasse zu steuern. Während konventionelle Prozesse meist oxidativ ablaufen, erfordern nachhaltige Alternativen – insbesondere im Umgang mit CO₂ und grünem Wasserstoff – vermehrt reduktive Reaktionen.
Die Entwicklung neuer Katalysatormaterialien ist daher unerlässlich für diese zukunftsweisenden chemischen Prozesse. In unserem Team konzentrieren wir uns auf das Design, die Synthese und die umfassende Charakterisierung innovativer Katalysatoren, die effizient, selektiv und aus reichlich vorhandenen, ungiftigen Elementen hergestellt sind.
Mit unserer Arbeit möchten wir eine umweltfreundlichere chemische Produktion ermöglichen und den Wandel der chemischen Industrie hin zu mehr Nachhaltigkeit aktiv mitgestalten.
Wenn Sie mehr über unsere Forschung erfahren oder mit uns zusammenarbeiten möchten, wenden Sie sich gerne an Dr. Maximilian J. Poller und das Katalysatorentwicklungs-Team.
Molekulare Nanomaterialien (Polyoxometallate)
Polyoxometallate (POMs) stellen eine vielseitige Klasse von Molekülen mit einem breiten Anwendungsspektrum dar. In unserer Forschung konzentrieren wir uns darauf, ihre einzigartigen Eigenschaften für katalytische Prozesse zu nutzen – insbesondere zur Wertschöpfung aus Biomasse und zur Entwicklung nachhaltiger chemischer Umwandlungen.
POMs sind anionische molekulare Cluster, die aus Übergangsmetallionen (wie Mo+VI oder W+VI) bestehen, die durch Oxo-Liganden (O2–) verbunden sind. Sie treten in verschiedenen Strukturtypen auf, die grob in Isopolyanionen (enthalten nur Metallionen und Oxo-Liganden) und Heteropolyanionen (enthalten zusätzlich ein Heteroatom wie Silizium oder Phosphor) unterteilt werden. Beide Strukturtypen können durch partielle Substitution der Gerüstmetalle mit anderen Übergangsmetallionen (e.g., V+V, Nb+V, Co+II, Ru+III) weiter modifiziert werden, wodurch sich die katalytischen Eigenschaften gezielt einstellen lassen. Neben der strukturellen Variation und Elementsubstitution können die Eigenschaften der POMs – insbesondere ihre Löslichkeit und Reaktivität – auch durch die gezielte Auswahl der Gegenionen gesteuert werden.

In unserem Team entwickeln wir Synthesemethoden, mit denen sich die Eigenschaften der POMs gezielt anpassen lassen – darunter Strukturtyp, Zusammensetzung und Wahl der Gegenionen. So erreichen wir gewünschte molekulare Eigenschaften wie Löslichkeit, Brønsted- oder Lewis-Acidität und Redox-Aktivität. Mit diesen Ansätzen synthetisieren wir maßgeschneiderte POM-basierte Katalysatoren, deren katalytische Aktivität systematisch in verschiedenen Projekten zur Entwicklung nachhaltiger chemischer Prozesse untersucht wird.
Je nach Anwendung setzen wir POMs entweder als homogene Katalysatoren in Lösung oder immobilisiert auf Trägermaterialien als heterogene Katalysatoren ein. Durch diese Forschung wollen wir das volle Potenzial der POMs für innovative und nachhaltige chemische Umwandlungen ausschöpfen.
Ansprechpartner: Pegah Saedi (pegah.saedi"AT"uni-hamburg.de)
SMART catalysts
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
Geträgerte Nanomaterialien
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)
MSR - Methanol Steam Reforming mit Indium-basierten Katalysatoren
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
Selektivhydrierung von 1-indanone im Slurry-Reaktor
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
SNISMs
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)
Maßstabsvergrößerung und Miniplanttechnik - Teamleitung Dr.-Ing. Dorothea Voß
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 (dorothea.voss"AT"uni-hamburg.de)