Zwei Schritte in einem

FAU-Forschungsteam untersucht Weg, Wasserstoff effizienter zu produzieren

Wasserstoff gilt als Alternative zu fossilen Brennstoffen. Auf Wasserstoff setzen aber auch wichtige industrielle Verfahren wie die Ammoniaksynthese, damit später zum Beispiel Düngemittel hergestellt werden kann. In beiden Fällen sollte der molekulare Wasserstoff jedoch möglichst rein sein. Um dies in der großindustriellen Produktion zu erreichen, ist bislang ein hoher technischer und finanzieller Aufwand nötig. Forscherinnen und Forschern der FAU und des Ruđer Bošković Institute Zagreb (RBI) ist es gelungen, den Mechanismus neuer und effizienterer Katalysatoren zu verstehen. Sie könnten in Zukunft dabei helfen, die Wassergas-Shift-Reaktion statt wie bisher in zwei, nun in einem Schritt durchzuführen. Ihre Erkenntnisse haben sie in der renommierten Fachzeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht.

Bei der industriellen Herstellung von molekularem Wasserstoff entstehen oft unerwünschte Nebenprodukte wie zum Beispiel Kohlenstoffmonoxid, die ihrerseits wieder entfernt werden müssen, um beispielsweise der Zerstörung der bei Folgeprozessen benötigten Katalysatoren vorzubeugen. Wie sich Wasserstoff effizienter produzieren lässt, haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der FAU und des RBI, auf theoretischer und experimenteller Basis ausgehend von der sogenannten Wassergas-Shift-Reaktion (WGSR) erforscht. Bei dieser Reaktion wird in speziellen Reaktoren Wasserdampf und Kohlenstoffmonoxid in molekularen Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid umgewandelt.

„Die Reaktion ist von großer technischer Bedeutung bei allen Prozessen, welche sehr niedrige Gehalte an Kohlenstoffmonoxid in den verwendeten wasserstoffhaltigen Gasströmen erfordern. Aus industrieller Sicht dient die Wassergas-Shift-Reaktion einerseits dazu, um primär Wasserstoffgas herzustellen und andererseits auch dazu, um Kohlenstoffmonoxid aus technischen Gasströmen zu entfernen“, erklärt Prof. Dr. Ana-Suncana Smith, Professur für Theoretische Physik.

Doch um eine ausreichend reine Ausbeute von Wasserstoff zu erhalten, müssen die derzeit etablierten Katalysatorsysteme während der WGSR in zwei nacheinander geschalteten Schritten, dem Hochtemperaturverfahren und dem Niedertemperaturverfahren, arbeiten. Dank der Hilfe neuartiger, sogenannter Supported Ionic Liquid Phase (SILP)-Katalysatoren kann dieses Verfahren bei niedrigen Temperaturen zwischen 100 und 150 Grad Celsius in nur einem Schritt durchgeführt werden. Zu diesem Ergebnis kam das FAU-Forschungsteam um die EAM Professoren Ana Smith und Peter Wasserscheid sowie PD Dr. Marco Haumann in enger Zusammenarbeit mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Kroatien rund um Dr. David Smith.

Das Interesse bei der Erforschung des WSGR-Mechanismus galt hierbei neuartigen SILP-Katalysatoren. „Der eigentliche molekulare Katalysator ist ein in der ionischen Flüssigkeit gelöster Rutheniumkomplex“, erläutert Smith. Sie griff mit ihrem Team dabei auf entscheidende Vorarbeiten ihrer Kolleginnen und Kollegen des interdisziplinären Exzellenzclusters Engineering of Advanced Materials (EAM) der FAU zurück. „Anhand dieser Ergebnisse war es uns letzten Endes möglich, den chemischen Mechanismus der stattfindenden Reaktion im Wassergas-Shift-Reaktor genauer zu untersuchen. Dadurch haben wir entscheidende Hinweise darauf gefunden, dass sich der Reaktionsmechanismus für die aktiven Komplexe wesentlich von den bisher hypothetisierten, verallgemeinerten Reaktionsmechanismen unterscheidet.“ Um die chemischen Prozesse exakt beschreiben zu können, erfolgten die computerbasierten Berechnungen auf Basis modernster Methoden aus dem Bereich der Quantenmechanik.

Der FAU-Forschungserfolg ist gut begründet. Denn das grundlegende Verständnis der chemischen Prozesse, die in den SILP-Katalysatoren ablaufen, stellt einen bedeutenden Schritt in Richtung industrieller Produktion von molekularem Wasserstoff mit noch effizienteren Katalysatorsystemen dar. Die Forschungsergebnisse erlauben zudem die weitere Optimierung der neuen hoch effizienten Katalysatoren. Das Verfahren eignet sich ebenso für die Wasserstoffgewinnung aus Biomasse, die zunehmend an Bedeutung gewinnt. Auch wenn die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den grundlegenden Reaktionsmechanismus verstanden haben, gilt es nun, die vielversprechenden SILP-Katalysatoren noch eingehender zu erforschen.
Weitere Informationen

Prof. Dr. Ana Smith
Tel.: 09131/85-20842
smith@physik.uni-erlangen.de