dr. thomas h. rehm prof. dr. anke krueger dr. benjamin ... · bis zu 10 bar systemdruck . co 2 plus...
TRANSCRIPT
CO2Plus 1. Statusseminar Berlin, 17. April 2018
Dr. Thomas H. Rehm Prof. Dr. Anke Krueger Dr. Benjamin Sahlmann
https://www.carboncat-project.de
2 CO2Plus 1. Statusseminar Berlin, 17. April 2018
Umwandlung von CO2 in C1-Bausteine
Diamant Mikroreaktor Licht
Photochemische CO2-Assimilierung mit sichtbarem Licht
auf mikrostrukturierten Diamantoberflächen
in kontinuierlich betriebenen Mikroreaktoren
3 CO2Plus 1. Statusseminar Berlin, 17. April 2018
Projektziele
Explorativer Projektansatz
Neuartiges Katalysatorsystem auf Diamantbasis
Kontinuierlicher Prozess in optimiertem Reaktorsystem
Demonstratormodul als Machbarkeitsstudie
Sonnenlicht als ultimativer Energieträger
4 CO2Plus 1. Statusseminar Berlin, 17. April 2018
Projektmotivation
Diamant …
ist sehr stabil und robust.
ist ein Halbleiter mit großer Bandlücke.
kann ein guter Elektronen-Emitter sein.
ist umweltfreundlich bei Verwendung und als Abfall.
kann industriell aus unbedenklichen Vorläufern produziert werden.
5 CO2Plus 1. Statusseminar Berlin, 17. April 2018
Physik des solvatis ierten e-
Einfachste reaktive Spezies in Chemie und Biologie
Meist durch Ionisierung in Solvens erzeugt, z. B. durch photochemische Anregung
Elektroneninjektion in eine Lösung direkt aus …
Metallelektroden
Wasserstoff-terminiertem Diamant
R. Hamers et al. Faraday Discuss. 2014, 172, 397; R. Hamers et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 9746.
6 CO2Plus 1. Statusseminar Berlin, 17. April 2018
Die Wege des CO2
CO2 + e- → CO2●-
CO2 + 2H+ + 2e- → HCOOH
CO2 + 2H+ + 2e- → CO + H2O
CO2 + 4H+ + 4e- → HCHO + H2O
2 H+ + 2 e- → H2
CO2 + 6H+ + 6e- → CH3OH + H2O
CO2 + 8H+ + 8e- → CH4 + 2 H2O
7 CO2Plus 1. Statusseminar Berlin, 17. April 2018
Photochemie im Mikroreaktor
200 rpm
Chem. Eng. J., 2013, 227, 182-190.
Kontinuierlich betriebene
Phasenkontaktierung
Gas → CO2
Flüssigkeit → Wasser
Feststoff → Diamant
Photonen → Lichtenergie
8 CO2Plus 1. Statusseminar Berlin, 17. April 2018
Diamant und Mikrostruktur
Polykristalline Diamantplättchen
Bor-dotiert
10 Mikrokanäle: 600 µm breit, 200 µm tief
Bor-dotierter Diamantfilm
80 µm dick
Mikrostrukturiertes Siliziumsubstrat
9 CO2Plus 1. Statusseminar Berlin, 17. April 2018
Diamant und Mikrostruktur
Diamantfilm-beschichtete Plättchen für batch-Reaktor
Bor-dotierter Diamantfilm, 3-4 µm
Mikrostruktur: 600 µm breit, 200 µm tief
Vorarbeiten für kontinuierlichen Prozess
Silizium Titan
10 CO2Plus 1. Statusseminar Berlin, 17. April 2018
Diamant im Mikroreaktor
Beidseitig mikrostrukturierte Titanplatte mit Bor-dotiertem
Diamantfilm (3-4 µm)
Titanplatte mit Diamantfilm
Symmetrisches Reaktormodul
Doppelte Reaktionsfläche
Beidseitige Bestrahlung
Bis zu 10 bar Systemdruck
11 CO2Plus 1. Statusseminar Berlin, 17. April 2018
EVB
ECB
HOMO
LUMO
Defekt-, Doping-
Übergang
Virtual-State Übergang
Surface State Übergang
Leistungsdichte/ W m2um
Ph
oto
ne
nen
erg
ie / e
V
Bandlücke Diamant 5,45 eV
Diamant und s ichtbares Licht
12 CO2Plus 1. Statusseminar Berlin, 17. April 2018
Diamant und s ichtbares Licht
Bandlücke Diamant 5,45 eV → 227,5 nm → kurzwelliges UV-Licht
1-Photonenabsorption → 2-Photonenabsorption → ≥ 400 nm (violett)
Sensibilisator = metallorganischer Farbstoff (z. B. λmax = ~ 520 nm)
13 CO2Plus 1. Statusseminar Berlin, 17. April 2018
Maßgeschneiderte Lichtquelle
Einstrahlung in die Absorptionsbanden des Sensitizers
Wahlweise breitbandige oder schmalbandige Anregung
Wellenlängenabhängige Effizienz- und Stabilitätsmessungen
14 CO2Plus 1. Statusseminar Berlin, 17. April 2018
Maßgeschneiderte Lichtquelle
Quantenausbeute aus Batch-Versuchen für Optimierung des kontinuierlichen Prozesses
Exakte Regelung der eingetragenen Lichtleistung ermöglicht exakte Analyse der Umsetzungseffizienz.
Anpassung der Architektur und Leistung der Lichtquelle an Reaktor
Abstimmung des Energiebedarfs der schrittweisen Reduktion von CO2 auf die durch die Sonne zur Verfügung gestellten Photonenenergie
15 CO2Plus 1. Statusseminar Berlin, 17. April 2018
Danksagung
Fraunhofer IMM
Stefan Schmitt
Anja Himmelsbach
Alexander Lendle
Doris Ehrler
Stefan Kunz
Hans-Joachim Kost
Christoph Knobloch
Dr. Thomas Klotzbücher
Ingo Spitzer
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen
PD Dr. Stefan Rosiwal
Thomas Helmrich
Maximilian Göltz
Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Dr. Sara Ranjbar
Thomas Hertle