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Forschungsgebiete
Biomassebasierende Synthesegaschemie
Synthesegas (Syngas - ein Gemisch aus CO und H2) kann aus Erdgas, Kohle und Erdöl gewonnen werden. Es findet Verwendung zur Herstellung wichtiger Chemikalien (Wasserstoff, Ammoniak, Methanol, Aldehyde und andere mehr) und für synthetische Kraftstoffe.
Der steigende Bedarf an diesen Basischemikalien und vor allem an Kraftstoffen macht nachwachsende Rohstoffe als potenzielle Quelle für Syngas interessant. Ein Beispiel ist der im FZK entwickelte Bioliq-Prozess, der zu Kraftstoffen der 2. Generation und damit zu einer ganzheitlichen Nutzung von Pflanzen führt.
Aktuelle F&E-Arbeiten des Arbeitskreises zielen auf die chemische Nutzung von biomassestämmigen Syngas, das aus nachwachsenden Roh- und Reststoffen erzeugt wurde. Dabei verfolgen wir unterschiedliche Wege, die in folgendem Schema aufgeführt sind. Die Ziele sind hierbei Entwicklung, Charakterisierung und Erprobung heterogener Katalysatoren zur selektiven Syngaskonversion. Weiterhin werden die angeführten Prozesse selbst in Labor- und kleintechnischen Anlagen optimiert.
Phosphorhaltige Flammschutzmittel für polymere Werkstoffe
Polymere Werkstoffe (Kunststoffe) sind ein allgegenwärtiger und nicht mehr wegzudenkender Bestandteil des täglichen Lebens. Viele dieser Materialien sind jedoch leicht entzündbar und können im Brandfall eine starke Hitzeentwicklung bzw. die Freisetzung toxischer Rauchgase verursachen. Diesem Nachteil kann durch Zugabe von Flammschutzmitteln (FSM) entgegengewirkt werden, die bei zahlreichen Anwendungen unumgänglich und/oder gesetzlich vorgeschrieben ist. Am ITC-CPV wird an der Entwicklung hochwirksamer, halogenfreier und damit umweltverträglicher FSM gearbeitet. Dabei wir sowohl Synthese, Charakterisierung, Erprobung und upscaling durchgeführt.
Hochleistungsmaterialien auf Basis von Reaktivharzen
Im Arbeitskreis "Katalyse und Materialien" werden Hochleistungsmaterialien unter anderem auf Basis von Epoxidharzen entwickelt. Diese finden Eingang in eine Vielzahl von Anwendungen, wie:
> Faserverbundwerkstoffe (z.B. Werkstoffe für die Luft- und Raumfahrtindustrie, Schiff- und Fahrzeugbau, Sportartikel, Windkraftanlagen, elektrische und elektronische Anwendungen (Leiterplatten) etc.);
> Coatings (Gebäudeversiegelung, Lacke, metallische Bauelemente etc.);
> Klebstoffe (Zweikomponenten-Klebstoffe etc.);
> Verguss- und Verkapselungsmassen (Elektrogießharze).
Entwicklung von Katalysatoren und katalysierten Prozessen (Ausgewählte Oxidationsprozesse)
Katalyse ist eine Schlüsseltechnologie für nachhaltiges Wirtschaftswachstum. Sie leistet einen maßgeblichen Beitrag zum Fortschritt der chemischen Industrie. Der prinzipielle Zweck der Katalyse ist die Beschleunigung chemischer Reaktionen, die durch erhöhte Umsätze und verbesserte Produktselektivitäten zur Einsparung an Rohstoffen und Energie beitragen. Somit leistet die Katalyse auch einen sehr effektiven Beitrag in der Entwicklung nachhaltiger Technologien.
Die Bedeutung der Katalyse wird im 21. Jahrhundert weiter zunehmen und weiter wachsen. Unsere Forschung zielt auf das funktionale Design von Katalysatoren für hochselektive und umweltgerechte Verfahren, die sowohl von technischem als auch grundlegendem Interesse sind.
Biomassebasierte Synthesegaschemie
Einführung
Synthesegas (Syngas - ein Gemisch aus CO und H2) kann aus Erdgas, Kohle und Erdöl gewonnen werden. Es findet Verwendung zur Herstellung wichtiger Chemikalien (Wasserstoff, Ammoniak, Methanol, Aldehyde und andere mehr) und für synthetische Kraftstoffe.
Der steigende Bedarf an diesen Basischemikalien und vor allem an Kraftstoffen macht nachwachsende Rohstoffe als potenzielle Quelle für Syngas interessant. Ein Beispiel ist der im FZK entwickelte Bioliq-Prozess, der zu Kraftstoffen der 2. Generation und damit zu einer ganzheitlichen Nutzung von Pflanzen führt.
Aktuelle F&E-Arbeiten des Arbeitskreises zielen auf die chemische Nutzung von biomassestämmigen Syngas, das aus nachwachsenden Roh- und Reststoffen erzeugt wurde. Dabei verfolgen wir unterschiedliche Wege, die in folgendem Schema aufgeführt sind. Die Ziele sind hierbei Entwicklung, Charakterisierung und Erprobung heterogener Katalysatoren zur selektiven Syngaskonversion. Weiterhin werden die angeführten Prozesse selbst in Labor- und kleintechnischen Anlagen optimiert.
Dimethylether-Direktsynthese
Dimethylether (DME) kann selbst als Kraftstoff oder als Zwischenprodukt zur Erzeugung von gesättigten und ungesättigten Kohlenwasserstoffen fungieren. Aktuelle Forschungen zielen auf die direkte Synthese von DME aus Syngas mit bifunktionellen heterogenen Katalysatoren. Die DME-Bildung kann mit oder ohne gekoppelte Wassergas-Shift-Reaktion erfolgen. Da biomassestämmiges Syngas CO-reicher ist, wird letzterer Prozess favorisiert.
Katalysatoren der 1. Generation enthalten ein Gemisch aus geträgertem Cu/ZnO zur MeOH-Bildung und gamma-Al2O3 zur Dehydratisierung.
Die DME-Synthese als kontinuierliches Verfahren wird in Festbett- und Slurry-Reaktoren untersucht.
DME zu Kohlenwasserstoffen
DME kann, wie auch Methanol, zu Kohlenwasserstoffen katalytisch dehydratisiert werden. Von Interesse sind einmal gesättigte Kohlenwasserstoffe als Benzin- oder Dieselfraktionen und zum anderen Aromaten oder kurzkettige Olefine. Auf Grund des weltweiten Mangels an Propylen ist eine selektive katalytische Umwandlung zu Propylen wünschenswert. Dazu werden ausgewählte Katalysatoren (dotierte SAPO, Zeolite) hergestellt, charakterisiert und in diesem Prozess getestet.
Ethanol und höhere Alkohole
Ethanol, höhere Alkohole und deren tert.-Butylether sind heutzutage Additive für Kraftstoffe. Deren Beimischung garantiert neben der höheren Klopffestigkeit des Benzins einen Anteil (5-12%) nachwachsender Rohstoffe in Kraftstoffen, der in immer mehr Ländern gesetzlich vorgeschrieben wird.
Leider wird Ethanol der ersten Generation bis heute nach uralten Rezepturen der Vergärung von Zuckern aus bestimmten Pflanzenteilen (Zuckerrohr, Zuckerrübe, Getreide) gewonnen. Es wäre überaus wünschenswert die gesamten Pflanzen für die Ethanolproduktion zu nutzen. Zu diesem Zweck werden Pflanzen oder auch Restpflanzen zur Synthesegaserzeugung komplett herangezogen. Bei der Erzeugung des Ethanols der 2. Generation soll nunmehr das Synthesegas direkt in Ethanol bzw. höhere Alkohole umgewandelt werden.
Wichtig ist wiederum die Entwicklung selektiver Katalysatoren bzw. Katalysatorsysteme für diesen Prozess und deren Optimierung. Ein großer Vorteil des Prozesses ist ebenfalls die Nutzung CO-reichen Syngases wie es bei der Gaserzeugung aus nachwachsenden Rohstoffen (Bioliq-Prozess) anfällt.
Versuchsanlagen für Synthesen mit Syngas
Laboranlagen mit Kapazitäten bis zu 0.5 kg h-1 Produkt
Mobile Anlage (PDU) mit Kapazität bis zu 5 kg h-1 DME bzw. Methanol.
Phosphorhaltige Flammschutzmittel für polymere Werkstoffe
Einführung
Polymere Werkstoffe (Kunststoffe) sind ein allgegenwärtiger und nicht mehr wegzudenkender Bestandteil des täglichen Lebens. Viele dieser Materialien sind jedoch leicht entzündbar und können im Brandfall eine starke Hitzeentwicklung bzw. die Freisetzung toxischer Rauchgase verursachen. Diesem Nachteil kann durch Zugabe von Flammschutzmitteln (FSM) entgegengewirkt werden, die bei zahlreichen Anwendungen unumgänglich und/oder gesetzlich vorgeschrieben ist. Am ITC-CPV wird an der Entwicklung hochwirksamer, halogenfreier und damit umweltverträglicher FSM gearbeitet. Dabei wir sowohl Synthese, Charakterisierung, Erprobung und upscaling durchgeführt.
Aufgaben der FSM
• Verringerung der Ent-
flammbarkeit der Polymere
(Realisierung selbstver-
löschender Materialien).
• Reduzierung der Wärme-
freisetzung während eines
möglichen Brandes.
Wirkprinzipien der FSM
• Kühlung der Verbrennungszone durch endotherme Zersetzung der FSM (z.B. durch Dehydration von Metallhydroxiden).
• Verstärkte Carbonifizierung im Brandfall; dadurch Verringerung der Menge des brennbaren Materials und Bildung einer schützenden Oberflächenschicht (Festphasenmechanismus).
• Intumeszenz, d.h. die Bildung einer voluminösen Isolationsschicht, die durch zusätzliche Freisetzung von Gasen induziert wird (Festphasenmechanismus).
• Freisetzung radikalischer Spezies, die in der Gasphase reaktive Radikale abfangen und somit den Verbrennungsprozess hemmen (Gasphasenmechanismus).
Phosphorhaltige FSM
Phosphorhaltige Substanzen erlangen zunehmende Bedeutung als ökologisch unbedenkliche Flammschutzmittel. Sie ersetzen allmählich die bislang dominierenden halogenhaltigen FSM, deren Einsatz durch Gesetze und Richtlinien mehr und mehr eingeschränkt wird (Bildung toxischer Gase, hohe Bioakkumulation, aufwendige Entsorgung). Für phosphorhaltige FSM wurden sowohl Gasphasen- als auch Festphasenmechanismen nachgewiesen, was ein breites Einsatzspektrum generiert.
Bei der Entwicklung neuer phosphorhaltiger FSM besteht die Herausforderung darin, die folgenden Parameter zu optimieren:
• Flammschutzwirkung,
• Einfluss auf die Verarbeitungs- und Materialeigenschaften,
• Umweltverträglichkeit,
• Herstellungskosten.
Die gezielte Entwicklung neuer FSM erfordert systematische und grundlegende Untersuchungen zu den Flammschutzmechanismen.
Aktuelle F&E-Arbeiten
Ein Schwerpunkt unserer Arbeiten ist die Entwicklung neue FSM auf Basis offenkettiger und phosphacyclischer Substanzen, unter anderem des 9,10-Dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthren-10-oxids (DOPO, links). Diese Phosphacyclen und davon abgeleitete Verbindungen haben sich als äußerst wirksame gasphasenaktive FSM erwiesen [Pub.: 118, 119, 122]. So wird DOPO selbst und seine Derivate bereits kommerziell zum Flammschutz von Epoxidharzsystemen (Leiterplatten) sowie von Polyesterfasern mit Erfolg eingesetzt.
Mechanistische Untersuchungen
Vergleichende Untersuchungen von DOPO und weiteren Phosphacyclen und deren Derivaten haben das Ziel, Erkenntnisse über detailierte Wirkmechanismen zu gewinnen.
Neue flammhemmende phosphorhaltige Additive
Derzeit wird u.a. an der Synthese von verbrückten, phosphorhaltigen offenkettigen und heterocyclischen Derivaten gearbeitet. Der Vorteil gegenüber monomeren Systemen liegt in dem geringeren Einfluss auf die Materialeigenschaften der Polymere, sowie der höheren thermischen Stabilität, die im Verarbeitungsprozess gefordert wird.
Das rechts abgebildete DOPAL-cyanur-O ist ein oligomeres FSM für eine potentielle Anwendung zum Flammschutz von engineering plastics.
Synthesen im halbtechnischen Maßstab
Um ein potentielles FSM zu einem marktfähigen Produkt zu entwickeln ist eine Maßstabsvergrößerung der Synthese unerlässlich.
Ein erfolgreiches upscaling zeigt unseren Kooperationspartnern, dass ein neues FSM prinzipiell auch unter industriellen Bedingungen effektiv hergestellt werden kann. Für Synthesen im halbtechnischen Maßstab steht die Technikumsapparatur REBEKA zur Verfügung, die einen Reaktor mit 120 L Nutzinhalt besitzt.
Hochleistungsmaterialien auf Basis von Reaktivharzen
Einführung
Im Arbeitskreis "Katalyse und Materialien" werden Hochleistungsmaterialien unter anderem auf Basis von Epoxidharzen entwickelt. Diese finden Eingang in eine Vielzahl von Anwendungen, wie:
> Faserverbundwerkstoffe (z.B. Werkstoffe für die Luft- und Raumfahrtindustrie, Schiff- und Fahrzeugbau, Sportartikel, Windkraftanlagen, elektrische und elektronische Anwendungen (Leiterplatten) etc.);
> Coatings (Gebäudeversiegelung, Lacke, metallische Bauelemente etc.);
> Klebstoffe (Zweikomponenten-Klebstoffe etc.);
> Verguss- und Verkapselungsmassen (Elektrogießharze).
Materialcharakteristika
Die Kompositmaterialien zeichnen sich durch hervorragende Werkstoffeigenschaften aus, wie z.B.:
> Hohe thermische und chemische Resistenz;
> hohe mechanische Stabilität und geringes Gewicht;
> exzellente Materialparameter wie z.B. Zug-, Biege- und Scherfestigkeit, Bruchzähigkeit, hohe Glasübergangstemperaturen, geringe Wasseraufnahme;
> niedrige elektrische Leitfähigkeit.
Typische Epoxidharze und ihre Härtung
Forschungsschwerpunkte
Entwicklung neuer Polymerisationsinitiatoren
z.B. Metallkomplexinitiatoren MLn; Steuerung der Polymerisation durch Wahl des Metalls M und der Liganden L:
Nicht-thermische Härtung von Reaktivharzen
> Elektronenstrahlhärtung
> UV-Härtung
> Mikrowellenhärtung
Polymeranalytik
> Viskosimetrie
> Gelpermeationschromatographie
> Thermische Analyse (Dynamische Differenzkalorimetrie DSC, Thermogravimetrie TGA)
> Flammtests (UL94, Limiting Oxygen Index LOI)
Harzformulierungen und Präformulierungen
Synthese von Polymeradditiven, Initiatoren sowie Präformulierungen und deren upscaling in den Kilogrammbereich
> Mischvorrichtungen (Labordissolver, Speedmixer)
> Unterschiedlich ausgelegte Reaktoren (5, 15, 100 l) für eine Vielzahl von Anwendungen
Entwicklung von Katalysatoren und katalysierten Prozessen
Einleitung
Katalyse ist eine Schlüsseltechnologie für nachhaltiges Wirtschaftswachstum. Sie leistet einen maßgeblichen Beitrag zum Fortschritt der chemischen Industrie. Der prinzipielle Zweck der Katalyse ist die Beschleunigung chemischer Reaktionen, die durch erhöhte Umsätze und verbesserte Produktselektivitäten zur Einsparung an Rohstoffen und Energie beitragen. Somit leistet die Katalyse auch einen sehr effektiven Beitrag in der Entwicklung nachhaltiger Technologien.
Die Bedeutung der Katalyse wird im 21. Jahrhundert weiter zunehmen und weiter wachsen. Unsere Forschung zielt auf das funktionale Design von Katalysatoren für hochselektive und umweltgerechte Verfahren, die sowohl von technischem als auch grundlegendem Interesse sind.
Immobilisierte Katalysatoren
Metalldotierte Hochleistungspolymere als Katalysatoren
Zahlreiche Metallkomplexe sind leistungsfähige Initiatoren für die Polymerisation von Epoxidharzen. Die resultierenden Materialien sind effiziente Katalysatoren für Epoxidierungs-, C-C-Kopplungs-, Hydrier- und Hydroformylierungsreaktionen. Sie zeichnen sich durch Langzeitaktivitäten im Bereich von mindestens einigen Monaten aus.
Immobilisierte Metallkatalysatoren in ionischen Flüssigkeiten zur Oxidation von Olefinen mit Wasserstoffperoxid
Die katalytische Epoxidierung von Alkenen mit H2O2 unter milden Reaktions-bedingungen ist Gegenstand intensiver Forschung, sowohl im akademischen als auch industriellen Bereich. Gelöste Metallkatalysatoren auf Basis von Wolfram- und Molybdänsalzen in Ionischen Flüssigkeiten als Lösemittel, eröffnen die Möglichkeiten der Wiederverwendung des Katalysators. In Modellreaktionen (gemäß Abbildung) wurden Wolframkatalysatoren in Ionischen Flüssigkeiten auf Guanidiniumbasis mit 30 % H2O2 bis mindestens vier Mal ohne Verlust der Aktivität und Selektivität des Katalysators wiederverwendet werden.
Methoden und Analyseverfahren der Katalyse
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