Forschung

Im Arbeitskreis forschen wir an der Entwicklung von Katalysatoren und Prozessen für die nachhaltige Entwicklung der chemischen Industrie und der Energiewirtschaft. Hierbei betrachten wir die Umsetzung biogener Rohstoffe als Ersatz für Erdöl und Erdgas, das chemische Recycling von Plastik, die dynamische Prozessführung sowie die direkte Nutzung erneuerbarer Energien für chemische Umsetzungen.

Entwicklung fester saurer Katalysatoren

Gerade für die Umsetzung biogener Rohstoffe zu Wertprodukten sind saure Katalysatoren von enormer Wichtigkeit. Um die einfache Rezyklierbarkeit der Katalysatoren im Prozess zu gewährleisten, kann auf feste Säuren wie Zeolithe und Ionentauscherharze zurückgegriffen werden. Homogene saure Katalysatoren, wie Heteropolysäuren (HPAs), zeigen jedoch eine höhere Aktivität und Säurestärke und lassen sich molekular auf die Bedürfnisse der betrachteten Reaktion anpassen. Deshalb forschen wir an der Immobilisierung von HPAs auf geeigneten Trägermaterialien.^[1-2] So kann die erhöhte Aktivität erhalten und gleichzeitig ein Recycling des Katalysators ermöglicht werden. Die hergestellten Katalysatoren werden charakterisiert, in verschiedenen biobasierten Reaktionen getestet und auf ihre Langlebigkeit hin untersucht. So verstehen wir Anbindungsmechanismen der HPAs an den Träger und lernen die Katalysatoren so anzupassen, dass eine Balance zwischen Aktivität und Stabilität erhalten und ein optimales Ergebnis in der Katalyse erzielt wird. Zukünftig sollen die Trägermaterialien nicht nur in Pulverform, sondern auch als 3D-gedruckte, nanostrukturierte Katalysatorbetten und Reaktoren untersucht werden.

 

Umsetzung von Lignocellulose

Nicht essbare Biomasse der zweiten Generation kann in einer nachhaltigen chemischen Industrie genutzt werden, um beispielsweise Plastik, Treibstoffe, Lösungsmittel, Pharmazeutika oder Kosmetika herzustellen und so Erdöl als Kohlenstoffquelle zu ersetzen. Chemisch betrachtet besteht Biomasse der zweiten Generation zum größten Teil aus Lignocellulose, die wiederum aus den natürlichen Polymeren Hemicellulose, Cellulose und Lignin zusammengesetzt ist. Besonders die Hemicellulose, die aus verschiedenen Zuckern aufgebaut ist, ist für eine chemische Wertschöpfung interessant, da sie leicht zu gewinnen ist, industriell aber bislang kaum genutzt wird. In der Arbeitsgruppe betrachten wir vielfältige Reaktionspfade zur Wertschöpfung aus Hemicellulose und entwickeln diese zu katalytischen Prozessen weiter. Zu nennen sind hier besonders die Umsetzung des Xylosepolymers Xylan zum Zucker Xylose oder weiter zum Zuckeralkohol Xylitol, die Herstellung von Diformylxylose aus Xylose, die Umsetzung von Xylose oder Xylitol zu Glykolen^[3-5] oder Milchsäure, die Dehydratisierung von Xylose zu Furfural sowie die weitere Umsetzung von Furfural zu chemischen Wertprodukten mittels selektiver Hydrierung.

Prozessentwicklung für das chemische Recycling von Plastik

Neben Biomasse kann auch Altplastik als Ressource für die Herstellung von Chemikalien, Energie und Energieträgern genutzt werden. Um eine ganzheitliche Nutzung von Plastikmüll zu ermöglichen, beschäftigen wir uns mit der Herstellung von Wasserstoff, Synthesegas und Methanol aus gemischten Reststoffströmen. Bei der Prozessentwicklung orientieren wir uns an dem Verfahren des katalytischen Flüssiphasenreformings (engl. Aqueous phase reforming, APR), das für die Wertschöpfung aus Biomasse entwickelt wurde, und übertragen es auf den neuen Substratstrom. Die Optimierung des Prozesses und des Katalysators sowie der Aufbau und die Inbetriebnahme eines kontinuierlichen Reaktors stehen im Vordergrund des Projekts.

Dynamische Prozessführung und Nutzung erneuerbarer Energien für chemische Umsetzungen

Die Umstellung der Energiewirtschaft von fossilen zu erneuerbaren Energien bringt eine Fluktuation in der Verfügbarkeit von Strom mit sich, die durch die effiziente Speicherung von Energie ausgeglichen werden kann. In diesem Zusammenhang kommt der elektrochemischen Wasserspaltung sowie der Rückverstromung mittels Brennstoffzelle eine besondere Bedeutung in der zukünftigen Energiewirtschaft zu. Um die die Wasserspaltung effizienter zu machen entwickeln wir einerseits Anodenmaterialien, die die Sauerstoffentwicklung erleichtern.^[6-7] Andererseits betrachten wir auch alternative Reaktionen an der Anode, die bei niedrigerer Spannung ablaufen und gleichzeitig ein chemisches Wertprodukt hervorbringen. Hier ist zum Beispiel die Herstellung von Wasserstoffperoxid zu nennen. Neben der Entwicklung der Elektrodenmaterialien betrachten wir auch die dynamische Prozessführung, die eine besondere Herausforderung für die Langzeitstabilität der Elektroden darstellt und versuchen so tragfähige Konzepte für den Übergang zu einer defossilisierten Energieversorgung zu entwickeln.

                                                                                                                                                                        ^[8]

Literatur

 1. L. Hombach, N. Hausen, A. Garzón Manjón, C. Scheu, H. Kraffczyk, M. Rose, J. Albert, A. K. Beine*:
     "Carbon Supported Polyoxometalates as Recyclable Solid Acid Catalysts in Aqueous Reactions"
     Applied Catalysis A: General, 2023, 666, 119392.

 2. L. Hombach, N. Simitsis, J. T. Vossen, A. J. Vorholt, A. K. Beine*:
     "Solidified and Immobilized Heteropolyacids for the Valorization of Lignocellulose”"
      ChemCatChem 2022, 14, e202101838.

 3. A. K. Beine*, Y. Albano, K. Gupta, R. Palkovits:
     "Biobased Glycols – Towards the Use of Solid Bases in the Hydrogenolysis of Sorbitol"
     Chemistry Select 2024, 9, e202302659.

 4. A. K. Beine, J. Ludovicy, J. Chai, J. P. Hofmann, C. Glotzbach, P. J. C. Hausoul, R. Palkovits:
     "Ru on N-doped carbon for the selective hydrogenolysis of sugars and sugar alcohols"
     ChemCatChem 2022, 14, e202101908.

 5. A. K. Beine, C. Glotzbach, P. J. C. Hausoul, R. Palkovits, S. Schirrmeister:
     "Chemical conversion of sugars or sugar alcohols to glycols"
     DE 10 2017 204 322 A1 (Internationalisierung: WO 2018 166566 A1, CN 000110431127 A, EP 000003596034 A1).

 6. F. Zeng, L. Liao, A. K. Beine, R. Palkovits:
     "Stability and deactivation of OER electrocatalysts: A Review"
      Journal of Energy Chemistry 2022, 69, 301-329.

 7. C. Broicher, M. Frisch, S. Dresp, N. M. Kubo, F. Girgsdies, J. Artz, S. Palkovits, A. K. Beine*, P. Strasser*, R. Palkovits*:
     "Particle size-controlled synthesis of high-performance MnCo-based materials for alkaline OER at fluctuating potentials"
     Catalysis Science and Technology 2021, 11, 7278 - 7286.

 8. C. Broicher, M. Frisch, S. Dresp, N. M. Kubo, F. Girgsdies, J. Artz, S. Palkovits, A. K. Beine*, P. Strasser*, R. Palkovits*:
     "Inside Back Cover"
     Catalysis Science and Technology 2021, 11, 7493 7493.