Forschung

Forschungsthema:

Prozessintensivierung elektrochemischer Partikelreaktoren zur CO₂-Umwandlung in biotechnologisch nutzbare Kohlenstoffquellen

Projektbeschreibung: CO₂-Reduktion durch Elektrobiotechnologie

Herkömmliche Syntheseverfahren zur Herstellung wertvoller Feinchemikalien basieren meist auf fossilen Rohstoffen und sind mit klimaschädlichen Emissionen verbunden. Eine vielversprechende Alternative besteht darin, gelöstes CO₂ mithilfe von Strom aus erneuerbaren Energien zunächst elektrochemisch in kohlenstoffbasierte Plattformchemikalien wie Acetat und Formiat zu überführen und diese anschließend mikrobiell zu Feinchemikalien aufzuwerten. Damit eröffnen neue Verfahren und Reaktoren im Bereich der Elektrobiotechnologie, also der Kombination aus Elektrochemie und Biotechnologie, einen aussichtsreichen Weg für nachhaltige Produktionsverfahren in der chemischen Industrie.

Trotz ihres Potentials steckt die industrielle Anwendung dieser Technologie noch in den Anfängen. Herausforderungen bestehen insbesondere in der Langzeitstabilität, der Skalierbarkeit sowie der technischen Integration in bestehende Prozesse.

Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung einer neuartigen elektrochemischen Plattformtechnologie zur industriellen Herstellung von Acetat aus CO₂. Im Zentrum steht ein modular skalierbarer Hochdruck-Partikelelektrodenreaktor, der erstmals das Potential dreidimensionaler Partikelelektroden für die CO₂-Reduktion erschließt (Abbildung 1). Im Vergleich zu klassischen Plattenelektroden bietet dieses System eine stark vergrößerte aktive Oberfläche, verbessert den Stofftransport und ermöglicht eine höhere Stromausbeute. Dies sind zentrale Voraussetzungen für eine wirtschaftliche Nutzung bis hin zum industriellen Maßstab.

Das Projekt gliedert sich in vier aufeinander aufbauende Arbeitspakete: vom Proof-of-Concept im Labormaßstab über die Optimierung von Reaktordesign, Betriebsparametern und Katalysatoren bis hin zur Skalierung auf einen Reaktor im Liter-Maßstab zur späteren Integration in biotechnologische Produktionsprozesse.

Langfristiges Ziel ist die Etablierung eines CO₂-neutralen Syntheseprozesses, der fossile Kohlenstoffquellen ersetzt und einen Beitrag zur Dekarbonisierung industrieller Wertschöpfungsketten leistet.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Reaktorkonzepts. Die Arbeitselektrodenkammer und die Gegenelektrodenkammer sind durch eine Kationenaustauschmembran (KAT) voneinander getrennt. Zur Polarisierung der Partikel wird ein außerhalb der Kammer mit der Stromquelle verbundener Stromverteiler eingesetzt. Das CO₂ liegt in der Arbeitselektrodenkammer gelöst vor und wird an der Partikeloberfläche (Arbeitselektrode, AE) zu Acetat oder Formiat reduziert. Das Acetat kann über die KAT in die Gegenelektrodenkammer wandern und wird so vom Formiat separiert. An der Gegenelektrode (GE) findet die Wasserelektrolyse zur Bereitstellung der Elektronen statt.

Abschlussarbeiten:

Wir suchen hochmotivierte Studenten, die unser Team verstärken wollen!

Bachelor- und Masterarbeiten können jederzeit vergeben werden, je nach wissenschaftlichem Hintergrund und Interesse des Bewerbers. Mögliche Themen können experimentell oder simulativ sein. Bei der Themenstellung können gerne konstruktive, verfahrenstechnische oder elektrochemische Schwerpunkte gesetzt werden.

Bei Interesse könnt Ihr mir eine E-Mail schreiben (siehe oben).