Thermische Effekte auf den Gastransport in katalytischen Membranen

In der chemischen Verfahrenstechnik sind heterogene Katalysatoren in zahlreichen Anwendungsfeldern der chemischen Energiewandlung und -speicherung von zentraler Bedeutung. Sie leisten einen wesentlichen Beitrag zur Produktion von Chemikalien sowie zu technischen Ma?nahmen des Umweltschutzes. Voraussetzung für eine effiziente Nutzung dieser meist kostenintensiven katalytischen Materialien ist ein ungest?rter Transport der Edukte zur und der Abtransport von Produkten von der Katalysatoroberfl?che, auf der die Reaktion katalysiert und somit initiiert wird.

Unter realen Reaktionsbedingungen weichen die Transportprozesse innerhalb eines Reaktors jedoch h?ufig deutlich vom idealen Fall ab. Insbesondere ist die Diffusion der Gasmoleküle innerhalb der Grenzschicht oft langsamer als die chemische Reaktion selbst, sodass der Stofftransport und nicht die Kinetik den Umsatz limitiert. Die gezielte Verbesserung der Transporteigenschaften innerhalb solcher Grenzschichten stellt daher eine zentrale Herausforderung in der katalytischen Forschung dar und bildet den Kern dieses Forschungsvorhabens.

Im Fokus steht die Nutzung eines physikalischen Ph?nomens, des sogenannten Knudsen Pumping Effects (KPE), zur gezielten Verbesserung des Gastransports. Anhand der Ethenhydrierung als Modellreaktion soll der Einfluss dieses Effekts auf die Reaktionsraten experimentell untersucht werden. Unter verdünnten Gasbedingungen erm?glicht KPE einen gerichteten Transport von Gasmolekülen von kalten zu hei?en Bereichen und damit entgegen eines auf einem Festk?rper erzeugten Temperaturgradienten. Obwohl der Knudsen Pumping Effect bereits Gegenstand zahlreicher grundlegender Studien ist, verfolgt dieses Projekt das Ziel, den Transfer dieses physikalischen Ph?nomens in eine anwendungsnahe Umgebung zu realisieren. In einem ersten Schritt wird der Effekt in einem kontinuierlich durchstr?mten Reaktor mithilfe der Magnetresonanztomographie (MRI) als bildgebender Methode nachgewiesen und die optimalen Bedingungen für sein Auftreten systematisch untersucht. In einem weiteren Schritt wird KPE gezielt genutzt, um die Reaktanten der Ethenhydrierung aktiv zur hei?en Katalysatoroberfl?che zu transportieren und bestehende Massentransportlimitierungen zu überwinden.