Kinetik geträgerter Palladium-Katalysatoren in Beschichtungsform für die H2O2-Direktsynthese

  • Stellenausschreibung:
  • Stellenart:

    Bachelor- / Masterarbeit / Hiwi

  • Institut:

    IMVT

  • Eintrittstermin:

    nach Absprache

  • Kontaktperson:

    Trinkies, Laura

Hintergrund und Motivation

Wasserstoffperoxid (H2O2) ist ein umweltfreundliches Oxidationsmittel mit Zukunftspotential: Es wird geschätzt, dass die gegenwärtige Jahresproduktion von drei Megatonnen innerhalb der nächsten fünf Jahre auf mehr als fünf Megatonnen weiter ansteigen wird. Der Standardprozess für die industrielle H2O2-Produktion ist das Anthrachinonverfahren. Dieses Verfahren ermöglicht jedoch aufgrund der vielen Prozessstufen und der begrenzten Wiederverwendbarkeit des organischen Anthrachinons keine kostengünstige H2O2-Produktion. Im Gegensatz dazu ist die Direktsynthese von Wasserstoffperoxid ein attraktiver Syntheseweg, bei dem sowohl molekularer Wasserstoff als auch Sauerstoff mit einem heterogenen Katalysator in einer einzigen Reaktion kontaktiert werden. In den letzten Jahren wurde intensiv am Verständnis des Reaktionsmechanismus geforscht, um eine wissensbasierte Erhöhung der Selektivität zu erreichen, die derzeit die industrielle Umsetzung im Weg steht. Denn neben Wasserstoffperoxid entsteht, thermodynamisch begünstigt, Wasser als Nebenprodukt in verschiedenen Folge- und Parallelreaktionen.

Am IMVT wird zur Bewältigung dieser reaktionstechnischen Herausforderungen ein neuartiger Membranmikroreaktor eingesetzt. Eine Polymermembran ermöglicht eine blasenfreie Dosierung der Reaktanden H2 und O2 in das flüssige Reaktionsmedium, das den Reaktionskanal kontinuierlich durchströmt. Gleichzeitig ermöglichen eigens entwickelte 3D-gedruckte Strukturen, sogenannte Strömungsleitelemente, einen intensivierten Kontakt der Gase mit dem Reaktionsmedium. Gleichzeitig dienen diese Strukturen als Träger des benötigten Katalysators.

 

 

 

Abbildung 1: Schema eines Strömungsleitelementes mit katalytisch beschichteten Oberflächen [1], angepasst aus [2] (links), Reaktionspfad der H2O2-Direktsynthese (rechts)

 

Zur weiteren Optimierung der Katalysatorsynthese und zur Reaktorsimulation werden reaktionstechnische Daten benötigt, die das Umsatz- bzw. Selektivitätsverhalten der Katalysatoren im relevanten Konzentrationsbereich numerisch abbilden können. Die Reaktandenkonzentrationen können unter anderem mit Hilfe von speziell im Rahmen eines DFG-Forschungsprojektes (http://www.promise.kit.edu/teilprojekte_mehrphasenkatalyse.php) am IMTEK (Universität Freiburg) entwickelten, elektrochemischen Sensoren quantifiziert werden.

 

Aufgabenstellung

Vor diesem Hintergrund sollen nun in einer Abschlussarbeit oder im Rahmen einer Hiwi-Tätigkeit die reaktionskinetischen Parameter geträgerter (bimetallische) Pd-Katalysatoren experimentell bestimmt werden. Der Fokus liegt dabei auf der Bestimmung der Konzentrationsabhängigkeiten bei konstanter Temperatur. Dabei soll aus reaktionstechnischen Experimenten mit einem kontinuierlich durchströmten Reaktor mit entsprechend beschichteten Einbauten zunächst die Selektivität ermittelt werden.

Je nach Umfang der Arbeit und Hintergrund des Studierenden ist es gewünscht, die kinetischen Parameter durch Fitten der experimentellen Daten an kinetische Zeitgesetze in MATLAB®-Routinen zu extrahieren.

Der Umfang (Bachelorarbeit oder Masterarbeit) sowie der Schwerpunkt der Arbeit kann nach Absprache festgelegt werden. Die Arbeit richtet sich an Studierende der Fakultäten Chemie oder Chemieingenieurwesen. Fachwissen im Bereich der Elektrochemie ist nicht erforderlich.

 

Aufgaben der Arbeit sind:

  • Entwurf eines Versuchsplans
  • Durchführung der Versuche
  • Fitten der experimentellen Daten in MATLAB®

 

Rahmenbedingungen:

  • Studenten der Fachrichtung Chemieingenieurwesen / Verfahrenstechnik / Chemie
  • Vortrag der Ergebnisse der Arbeit innerhalb eines Institutsseminars (bei Abschlussarbeit)
  • Sprache: Englisch oder Deutsch

 

Beginn: nach Absprache

Aufgabensteller: Prof. Dr.-Ing. Roland Dittmeyer

Betreuerin: Laura Trinkies (laura.trinkies∂kit.edu)