Künstliche Fotosynthese in mikro-strukturierten & 3D-gedruckten Fotoreaktoren

  • Stellenausschreibung:
  • Stellenart:

    Bachelor- / Masterarbeit

  • Institut:

    IMVT

  • Eintrittstermin:

    ab April 2021

  • Kontaktperson:

    Kant, Paul

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Hintergrund & Motivation

Eindrücklich wurde im Oktober 2018 vom Weltklimarat in seinem Bericht zu globaler Erwärmung um 1.5°C dargestellt, dass eine Erwärmung des Erdklimas um 2°C drastische negative Konsequenzen für menschliches Leben auf der Erde haben wird. Unausweichlich ist deshalb eine schnelle und signifikante Reduktion von anthropogenen Treibhausgasemissionen in den nächsten drei Jahrzehnten.

Forschungsarbeiten zu CO2-basierten Synthesen von Treibstoffen und Ausgangsstoffen für die chemische Industrie, wie sie auch am IMVT durchgeführt werden, sind deshalb wichtiger denn je. Parallel zu den weit entwickelten Routen über eine PEM oder co-Elektrolyse von Wasser bzw. Wasser & CO2 mit anschließender Fischer Tropsch bzw. Methanolsynthese, werden am IMVT auch innovative photochemische Ansätze erforscht, die CO2 und Wasser zu Treibstoffen umsetzen.

Aktuell sind die Wirkungsgrade bei künstlicher Fotosynthese jedoch nicht zufriedenstellend. Ausschlaggebend sind dabei zwei Faktoren: (1) niedrige Wirkungsgrade der eingesetzten Katalysatoren und (2) hohe Streuungsverluste der eingesetzten Fotoreaktoren. Forschungsarbeiten am IMVT adressieren beide Aspekte und führten bis dato zur Entwicklung neuartiger 3D gedruckter Reaktoren und Aerogel-geträgerter Fotokatalysatoren, Abb. 1.


Abb. 1: Fotoreaktoroptik unter künstlichem Sonnenlicht (links) und Aerogel-basierter Katalysatorträger (rechts).

 

Forschungsthemen und Aufgaben

Im Rahmen der Forschungsarbeit sollen beide Forschungsrichtungen, Fotoreaktoren und -katalysatoren am IMVT zusammengeführt werden. Im ersten Schritt sollen dafür in neuartige mikrostrukturierte und 3D-gedruckte Fotoreaktoren Aerogel-basierte Fotokatalysatoren eingebracht werden. Im zweiten Schritt sollen diese Apparate einer intensiven Charakterisierung im automatisierten Fotoreaktorteststand unterzogen werden, Abb. 2.


Abb. 2: Automatisierter Fotoreaktorteststand am IMVT mit 1,8 kW Sonnensimulator und Gaschromatograph zur Produktanalyse.

 

Konkrete Aufgabenpakete könnten sein:

  • Literatur- & Patentrecherche zum aktuellsten Stand in der Entwicklung von Fotoreaktoren
  • Begleitung des Fertigungsprozesses von mikro-strukturierten Fotoreaktoren via 3D-Druck (Selektiven Laserschmelzen von Metallpulver) mit anschließender galvanischer Silberabscheidung (Methode bekannt & am IMVT etabliert)
  • Herstellung von Aerogel-geträgerten Fotokatalysatoren (Methode bekannt & am IMVT etabliert)
  • Untersuchung des Einflusses von Elektropolieren und Sandstrahlen der 3D-gedruckten Oberflächen auf die Oberflächengüte und die optischen Eigenschaften nach der Silberbeschichtung
  • Charakterisierung der Reaktorleistung über chemische Aktinometrie (Methode bekannt & am IMVT etabliert)
  • Entwicklung einer geeigneten Füllstrategie zur Einbringung von Fotokatalysatoren in die 3D-gedruckten Reaktoren
  • Ermittlung der Leistungsfähigkeit des Fotoreaktors / der Fotoreaktorkombinationen

 

Rahmenbedingungen

Zur Durchführung, Dokumentation und Präsentation einer Abschlussarbeit wird die Beachtung der Satzung des Karlsruher Instituts für Technologie zur Sicherung guter wissenschaftlicher Praxis in der Fassung vom 24. Mai 2018 vorausgesetzt.
Die finalen Ergebnisse der Arbeit sind durch eine schriftliche Abschlussarbeit zu dokumentieren (Umfang sollte 50 Seiten (BA) bzw. 60 Seiten (MA) exklusive Anhang nicht überschreiten). Die Ergebnisse sind abschließend in Form eines 20- (BA) / 30-minütigen (MA) Vortrags mit anschließender Diskussion im Rahmen des Institutsseminars zu präsentieren.

Der Umfang der Arbeit kann auf Bachelor- & Masterarbeit angepasst werden.

Anfang der Arbeit: ab April 2021
Sprache: Die Abschlussarbeit kann auf Deutsch oder Englisch verfasst werden.
Aufgabensteller: Prof. R. Dittmeyer
Betreuer: M. Sc. Paul Kant