Struktur-Aktivitäts-Beziehungen von Methanisierungskatalysatoren durch hochenergetische Röntgenbeugung

  NiMOF-Zersetzung Urheberrecht: © Kleist/Bauer/Zobel SPP 2080 consortia  

Eine der großen Herausforderungen in der Energieversorgung der Zukunft ist die langfristige Speicherung von erneuerbaren Energien. Ein Ansatz ist das “Power-to-Gas”-Konzept, das überschüssige Energie nutzt, um Wasser über elektrokatalytische Wasserspaltung zu erzeugen. Der Wasserstoff kann dann weiterreagieren mit CO2 zu Methan, in sogenannten Methanisierungsreaktionen.

Für die Methanisierungsreaktion werden hochaktive Katalysatoren benötigt, die unter fluktuierenden Wasserstoffbedingungen nicht deaktivieren. Auch muss ein Sintern verhindert werden. Eine vielversprechende Option ist die Synthese neuartiger Katalysatoren durch Zersetzung metallorganischer Gerüststrukturen (MOFs) bei hohen Temperaturen.

  In-situ-Methanisierung Urheberrecht: © IfK

Um ein besseres Verständnis der Mechanismen der Strukturbildung zu erlangen, aber auch um die Katalysatorperformance zu optimieren, ist eine gründliche Charakterisierung der Vorläuferstrukturen und der aktiven Katalysatoren erforderlich.

In diesem Projekt nutzen wir hochenergetische Röntgenbeugung, vor allem die Paarverteilungsfunktion (PDF) an Synchrotronstrahlungsquellen, um die Struktur-Aktivitäts-Beziehungen von Methanisierungskatalysatoren und ihren Vorläuferstrukturen zu erforschen. Wir untersuchen operando

  • die thermische Zersetzung der MOFs,
  • die Ausbildung der aktiven Phase und
  • die Methanisierungsreaktion.

Die MOFs und Methanisierungskatalysatoren werden von unserem Kooperationspartner Prof. Wolfgang Kleist (TU Kaiserslautern) bereitgestellt. Unsere PDF-Daten werden anschließend kombiniert mit XAS- und XES-Daten aus der Gruppe von Prof. Matthias Bauer (Paderborn University).

An dem Thema arbeitende Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter:

Prof. Dr. Mirijam Zobel
MSc Nils Prinz (Doktorand)

Publikationen:

Prinz, Nils; Schwensow, Leif; Wendholt, Sven; Jentys, Andreas; Bauer, Matthias*; Kleist, Wolfgang*; Zobel, Mirijam*: Hard X-ray-based techniques for structural investigations of CO2 methanation catalysts prepared by MOF decomposition. Nanoscale 12 (2020), 15800 - 15813. https://doi.org/10.1039/D0NR01750G

  SSP 2080 Urheberrecht: © SPP2080

Förderung:

Projekt im SPP2080 „Katalysatoren und Reaktoren unter dynamischen Betriebsbedingungen für die Energiespeicherung und –wandlung“

Website des SPP 2080: https://www.itcp.kit.edu/spp2080/index.php

 
  DFG Urheberrecht: © DFG
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Förderkennzeichen: ZO 369/2-1
Projekttitel: MOFCO2DYN-X2: New CO2 methanation catalysts from MOF precursors – Structures and mechanisms under dynamic conditions by combination of (synchrotron-based) hard X-ray techniques
Laufzeit: 09/2018 – 09/2021