Trendbericht Technische Chemie 2022

Von atomaren Prozessen bis zu Stoffkreisläufen – die technische Chemie arbeitet auf allen Skalen am Ziel, die CO₂-Emissionen zu senken. Dafür werden Kreislaufwirtschaften eingerichtet, Reaktoren werden mit „grünem“ Strom beheizt, und die Multiskalen-Modellierung sucht nach effizienteren Katalysatoren.

Kreislaufwirtschaft zielt darauf, Stoffkreisläufe durch die Wiederverwertung von Stoffströmen auf der Produkt-, Komponenten- und Materialebene zu schließen. Das soll Abfallströme und Umweltbelastungen reduzieren und die wirtschaftliche Entwicklung vom Konsum endlicher Ressourcen entkoppeln.^1,2) Stoffkreisläufe sind demnach elementar, um anthropogene Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Sie sind wichtig etwa bei Lebensmittelproduktion und -verteilung, der Versorgung urbaner Räume und bei der Mobilität.

Hervorzuheben ist der Kunststoffsektor aus mehreren Gründen:

• Kunststoffe werden fast ausschließlich aus fossilen Rohstoffen hergestellt;³⁾
• im Jahr 2019 gelangten durch Produktion und Verbrennung von Kunststoffen 850 Mio. Tonnen CO₂ in die Atmosphäre,⁴⁾ etwa die doppelte Menge des vom weltweiten Flugverkehr emittierten Kohlendioxids,⁵⁾ und
• alle heutigen Projektionen gehen von einem weltweit steigenden Bedarf an Kunststoffen aus, sodass sich ohne umfassende technische Neuerungen die CO₂-Emissionen des Kunststoffsektors bis zum Jahr 2050 mehr als verdreifachen werden.⁴⁾

Stoffliche Rezirkulation von Kunststoffen

Um Stoffkreisläufe zu schließen und die Rohstoffbasis umzustellen, werden mechanische Recyclingverfahren eingesetzt. Sie sind verhältnismäßig einfach umzusetzen, kosten wenig und wirken sich kaum auf die Umwelt aus.⁶⁾ Es gibt erfolgreiche Beispiele für den großtechnischen Maßstab, etwa die mechanische Rezyklierung von PET-Flaschen.⁷⁾ Limitierungen sind die Verschlechterung von Materialeigenschaften, die sich durch beim Erhitzen eingeschlossene Fremdpartikel ergibt, sowie Probleme, verschiedene Kunststoffe zu sortieren.⁸⁾ Daher wird mittlerweile vorgeschlagen, mechanische und chemische Recyclingverfahren zu kombinieren. Denn chemisches Recycling verwertet Wertstoffströme, die sich mit mechanischem Recycling ökologisch und ökonomisch nicht sinnvoll verarbeiten lassen. Wie das Beispiel einer kombinierten mechanischen Verwertung und einer Pyrolyse von Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC) und Polystyrol (PS) zeigt, lassen sich durch die Kombination der Verwertungsverfahren Energieaufwand, spezifische Treibhausgasemissionen und resultierende Kosten senken (^Tabelle).⁹⁾

Tab. 1

Verfahren für chemisches Recycling.

Chemisches Recycling

Chemisches Recycling ermöglicht, bisher nicht stofflich genutzte Kunststoffabfälle in Monomere, Synthesegas und Chemikalien zu zersetzen, und zwar durch Wärme, chemische Hilfsstoffe und Katalysatoren.¹⁰⁾ Die Verfahren des chemischen Kunststoffrecyclings lassen sich in drei Kategorien einteilen (Tabelle):

Cracking-Verfahren basieren auf thermischer oder katalytischer Spaltung von Kunststoffen. Zu diesen Verfahren gehört auch die Pyrolyse, die als vielversprechendes Verfahren in den Fokus gerückt ist.¹¹⁾ Cracking eignet sich vor allem für Kunststoffabfälle mit hohem Kohlenwasserstoffanteil, bei denen andere Verfahren aufgrund von Verunreinigungen oder komplexer Zusammensetzungen ungeeignet sind.

Das Produktspektrum der aus Pyrolyseverfahren entstehenden Öle und Gase und deren Qualität hängt von der Abfallmischung und der Technik ab, die Produktverteilung ist breit (Abbildung 1). Wie Rorrer und Kolleg:innen gezeigt haben, entstehen schon bei 200 °C in einem Batch-Reaktor neben leichten Alkanen (C<7) auch wertvolle flüssige Produkte mit Kettenlängen von 8 bis 44 Kohlenstoffatomen aus Plastikabfällen.¹²⁾ Zudem existieren Vergasungsverfahren, bei denen Kunststoffabfälle mit Vergasungsmitteln zu Synthesegas reagieren, und Depolymerisationsverfahren, bei denen die Kunststoffabfälle mit Lösemitteln in ihre Monomere zerlegt werden.¹³⁾

Verfahrenskategorien

Die Verfahren unterscheiden sich in ihren Funktionsprinzipien, verfahrenstechnischen Umsetzungen, Prozessparametern und hinsichtlich ihres technischen Reifegrads. Die derzeit verfügbaren chemischen Recyclingverfahren lassen sich daher unterteilen in die technisch weitgehend ausgereiften Verfahren an der Schwelle zur Kommerzialisierung sowie Techniken im fortgeschrittenen Labor- oder frühen Pilotmaßstab. So haben einige konventionelle Pyrolyse- und Vergasungsverfahren hohe technische Reife (Technology Readiness Level bis zu 9 auf einer Skala von 1 bis 10) mit erfolgreichen Beispielen im Industriemaßstab, wohingegen beispielsweise Plasma- und mikrowellenunterstützte Pyrolyse bisher nur in kleinskaligen Maßstäben untersucht werden.¹⁴⁾ Jedoch bedarf es auch bei konventioneller Pyrolyse weiterer Forschung, um die Prozesse bei unterschiedlichen Abfallzusammensetzungen zu fahren.

Viele der aktuellen Forschungsansätze bei der Pyrolyse zielen auf Rohstoffe ab, deren Rezyklatzusammensetzung in der Flüssigphase fossilem Öl ähnelt. Ein Beispiel hierfür sind gemischte Einwegkunststoffabfallströme aus PP und PE.

Abfälle aus Polymeren wie Polyethylenterephthalat (PET), Polycarbonat (PC) oder Polyurethan (PU) enthalten Heteroatome wie Sauerstoff oder Stickstoff und sind daher als direkter Ersatz für Erdöl in Raffinerien ungeeignet. Anstatt diese Polymere in ihre kleinsten Bausteine zu zerlegen und wieder zusammenzusetzen, wäre es ökologisch effizienter, selektiv Monomere direkt aus der Pyrolyse herzustellen. Dieser Ansatz funktioniert für PS und Polymethylmethacrylat (PMMA) im Technikumsmaßstab.¹⁵⁾

Für komplexere Polymere wie PU und PC, die aus zwei verschiedenen Monomeren bestehen, ist der Pyrolyseprozess zu hochwertigen Produkten schwieriger. Erste Beispiele wie die Dampfpyrolyse von reinem PC zu hochwertigen Bausteinen sind vielversprechend: Durch geschicktes Einstellen von Temperatur und Pyrolysetechnik und den richtigen Katalysator lassen sich entweder Bisphenol A oder dessen Abbauprodukte wie Phenol und 4-Isopropenylphenol gewinnen.¹⁶⁾

Durch Pyrolyse von PU mit einem NH₄Y-Zeolithen entsteht aus dem Polyolteil des PU das höherwertige Molekül THF sowie Anilin und 4-Methylanilin aus Isocyanat.¹⁷⁾ Ähnliche Produkte liefert die Pyrolyse von TPU mit einem HY-Zeolith.¹⁸⁾ Diese Ergebnisse geben einen Hinweis darauf, dass sich auch PU-Zusammensetzungen zu höherwertigen Molekülen pyrolysieren lassen.

Damit künftige großtechnische Anlagen wirtschaftlich werden, muss der Kondensat- oder Gasanteil im Pyrolyseprodukt abhängig von den Standortbedingungen eingestellt werden. Insbesondere ist entscheidend, ob Pyrolyseverfahren zentral (inklusive Gasnutzung) oder dezentral (Fokus auf Pyrolyseöl) in die bestehenden Wertschöpfungsketten der Raffinerie- und Chemieindustrie eingepasst werden sollten. Untersuchungen der pyrolytischen Verfahren und Pyrolyseprodukte optimieren diese und helfen, die entstehenden Stoff bestmöglich weiter zu nutzen.

PU-Schaumstoffe

Aktuelle Entwicklungen bei Depolymerisationsverfahren betreffen das Recycling weitgehend sortenreiner Endprodukte wie PU-Weichschaum aus gebrauchten Matratzen, das die Rückgewinnung der beiden PU-Hauptkomponenten Polyol und Isocyanat ermöglicht (Abbildung 2). Das Forschungsprojekt Puresmart¹⁹⁾ ging letztes Jahr in die Pilotphase für Chemolyse und Aufreinigung eines hochreinen, hochwertigen Recycling-Polyols sowie eines recycelten Toluol-Diamins, das sich für die Weiterverarbeitung zu Toluol-Diisocyanat eignet. Das Isocyanat dient zusammen mit dem Polyol zur Herstellung von Weichschaumstoffen.

Ein weiterer Teil des Forschungsprojekts ist eine intelligente Sortierlösung, die PU-Schaumstoffe aus Post-Consumer-Matratzen trennt. Die Software nutzt Machine-Learning(ML)-Algorithmen, um die Schaumstofftypen zu erkennen. Daraus resultiert ein sauberer Materialeingang für den anschließenden Recyclingprozess. Diese Entwicklung ist ein weiterer Baustein der Digitalisierungsstrategie mit den damit verbundenen neuen Möglichkeiten für die gesamte Chemie- und Kunststoffwertschöpfungskette.

Bei der Bewertung einzelner Recyclingverfahren und möglicher Kombinationen gibt es aktuell zwei große Herausforderungen: Zum einen mangelt es abgesehen von wenigen Ausnahmen an verlässlichen Daten für Lebenszyklusanalysen,⁹⁾ die Aufschluss über die Nachhaltigkeitsindikatoren der unterschiedlichen Verfahren geben (Abbildung 3). Zum anderen wird häufig der Aufwand für die Aufbereitung von Rezyklaten nicht berücksichtigt, da von einer unmittelbaren Weiterverarbeitung der Produkte des chemischen Recyclings ausgegangen wird. Bei geringen Rezyklatströmen, etwa der Integration weniger Mengen von Rezyklat-Naphtaströmen im Steamcracker, ist diese Annahme in der Regel gerechtfertigt. Liegen jedoch größere Rezyklatströme vor, die in Prozesse mit hohen Qualitäts- und Reinheitsanforderungen der Edukte integriert werden sollen, beispielsweise Polymerisationen, müssen die Rezyklate aufgrund ihrer heterogenen Zusammensetzung aufbereitet werden.²¹⁾ Dies geschieht mit klassischen thermischen Trennverfahren oder nachgeschalteten Hydrierschritten, und der Aufwand dafür ist bei der Bewertung der Recyclingverfahren zu berücksichtigen (Abbildung 3).

Energie kohlenstofffrei speichern

Um CO₂-Emissionen zu senken, muss die chemische Industrie vermehrt Energie aus regenerativen Quellen nutzen. Diese unterliegen aber saisonalen und regionalen Schwankungen. Um Energieerzeugung und -nutzung zeitlich und örtlich zu entkoppeln, müssen kohlenstoffarme oder -freie Energieträger die fossilen ersetzen. Dazu zählen insbesondere die Strom- und Wärmeerzeugung, der Antrieb von Fahrzeugen und der globale Energiehandel. Für den Übergang zu einer kohlenstofffreien Gesellschaft gibt es mehrere Forderungen an künftige Energieträger:

• hohe Energiedichte
• Produktion durch emissionsfreie, primäre Energieträger
• sichere Lagerung und Transport über weite Zeiträume beziehungsweise Distanzen
• anwendbar für mobile und stationäre Energieerzeugung in verschiedenen Leistungsstufen
• gute Verfügbarkeit
• Rezyklierbarkeit.²³⁾

Neben den für einige Bereiche sinnvoll einsetzbaren thermischen Speichern und Batterien zählt die chemische Speicherung zu den wertvollsten Techniken. H₂ ist gut verfügbar und lässt sich auf mehrere Arten herstellen, weshalb es zunehmend als praktikable und nachhaltige Alternative für Energietransport und -speicherung gilt.²⁴⁾

Mit einem unteren Heizwert von 120 MJ·kg^–1 hat H₂ eine hervorragende gravimetrische Energiedichte.²⁵⁾ Aufgrund der geringen volumetrischen Energiedichte kann es aber nicht mit fossilen Energieträgern mithalten (Abbildung 4).^26,27) Daher wurden unterschiedliche Speichertechniken entwickelt.

Speichermethoden für Wasserstoff

Physikalische Speichermethoden umfassen das Speichern reinen Wasserstoffs in komprimierter, verflüssigter oder kryokomprimierter Form. Materialbasierte Speichertechniken beruhen auf Speichermaterialien, die große Mengen H₂ physikalisch über Zeolithe oder Metal Organic Frameworks (MOFs) binden oder chemisch über Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHCs), NH₃ oder Metallhydride (Abbildung 4).²⁷⁾

Bislang erfüllt keine Technik die genannten Anforderungen. Daher müssen komplementäre und anwendungsspezifische Speicherlösungen gefunden werden.

In LOHCs bindet H₂ an (flüssige) (hetero-)aromatische Verbindungen durch eine exotherme, katalytische Hydrierung. In der Applikation, etwa einer Brennstoffzelle, setzt dann eine endotherme Dehydrierung den Wasserstoff frei. LOHCs sind einfach und sicher zu transportieren und zu lagern, außerdem ließe sich die bestehende Infrastruktur nutzen.²⁹⁾ Zudem lassen sich LOHCs direkt mit verunreinigten H₂-Prozessgasen beladen.³⁰⁾ Das Unternehmen Hydrogenious LOHC Technologies hat damit begonnen, H₂-Speichersysteme basierend auf (Di-)Benzyltoluolen zu kommerzialisieren.

Unter den chemischen Speichermaterialien für mobile Anwendungen galt den Metallborhydriden in den letzten zwei Jahrzehnten große Aufmerksamkeit. Denn das chemisch gebundene H₂ lässt sich durch Hydrolyse bei Temperaturen kleiner 100 °C und Drücken kleiner 5 bar freisetzen.³¹⁾ Der Fokus bisheriger Studien lag auf Natriumborhydrid (NaBH₄) als sicherem und emissionsarmem Energieträger. Dass das Hydrolyseprodukt Natriummetaborat (NaBO₂) nur schlecht löslich ist, verhindert die technische Implementierung.³²⁾ Eine andere Studie untersuchte das Potenzial von KBH₄ als Kraftstoff für große Binnenschiffe.³⁴⁾ Hier ist das Hydrolyse-Nebenprodukt Kaliummetaborat (KBO₂) besser löslich als NaBO₂, sodass der Prozess als realisierbar eingeschätzt wird. Hinsichtlich der Energiedichte ist KBH₄ der H₂-Speicherung bei Drücken von 700 bar überlegen und ähnelt anderen chemischen Wasserstoffspeichern (Abbildung 4, S. 59).

KBH₄ eignet sich für Schiffsanwendungen, da sich der Feststoff einfach und sicher speichern lässt. Außerdem lässt sich H₂ an Bord durch Hydrolyse emissionsfrei und exotherm freisetzen. Basierend auf Prozesssimulationen schätzen Düll und Co-Autor:innen die Speichereffizienz (H₂ zu H₂) auf 35 %.³⁴⁾ Als kritische Hürde gilt die energieintensive Reduktion von MgO als Hilfsstoff für die Regeneration des Energieträgers, der Hydrierung von KBO₂ (Abbildung 5a). Um KBH₄ technisch zu implementieren, sind Prozesse für die Hydrierung und Dehydrierung von Wasserstoffspeichern auf Basis regenerativer Energien zu entwickeln.³⁵⁾

(Halb-)Metalle als Energieträger

Seit wenigen Jahren werden (Halb-)Metalle als kohlenstofffreie Energieträger diskutiert. Energie soll durch Verbrennung von Metallpulvern oder -sprays mit Luft oder durch Reaktion mit Wasser zu H₂ gewonnen werden. Mit Energie aus nichtfossilen Quellen werden die entstehenden Metalloxide in einem emissionsfreien Energiespeicherzyklus durch thermo- oder elektrochemische Reduktionsverfahren regeneriert (Abbildung 5b).^23,35)

Insbesondere Fe, Al und Si werden aufgrund ihrer hohen Verfügbarkeit großes Potenzial zugesprochen.³⁶⁾ Diese und weitere (Halb-)Metalle haben eine hohe Speicherdichte (Abbildung 4, S. 59, Fe 16 kWh·L^–1, Al 24,5 kWh·L^–1), zudem sind sie einfach und sicher handzuhaben. Besonders attraktiv ist das Konzept für die stationäre Energieerzeugung, da sich bestehende Infrastrukturen nutzen lassen.³⁶⁾ Hier wird Fe als vielversprechender Energieträger diskutiert, da es ähnliche Verbrennungseigenschaften hat wie Kohle und bei der Verbrennung wenig Nanopartikel entstehen.^23,37) Ersten Schätzungen zufolge lässt sich eine Effizienz des Energiespeicherzyklus von bis zu 40 % erreichen.³⁶⁾ Unter anderem hat sich die gemeinsame Initiative Clean Circles der TU Darmstadt und weiterer Forschungseinrichtungen die ganzheitliche Erforschung des Speichersystems zur Aufgabe gemacht.

Weiteren Studien zur ökonomischen und ökologischen Bewertung potenzieller Energieträger werden wegbereitend sein, um energieeffiziente und emissionsfreie Recyclingprozesse zu entwickeln.

Chemische Reaktoren elektrifizieren

Eine Möglichkeit, CO₂ bei endothermen Prozessen zu reduzieren ist, Reaktoren direkt elektrisch zu beheizen, und zwar mit erneuerbaren Energien statt durch Verbrennung fossiler Energieträger. Die direkte elektrische Beheizung chemischer Reaktoren lässt sich in drei Techniken unterteilen, welche beispielsweise für katalytische Festbettschüttungen oder beschichtete Monolith- und Rohrbündelreaktoren zur Anwendung kommen: Ohmsche Heizung, Induktionsheizung und Mikrowellenheizung (Abbildung 6).³⁸⁾

Aktuelle Untersuchungen zur Elektrifizierung chemischer Reaktoren umfassen die Herstellung von Olefinen im Steamcracker, die Methanpyrolyse und die Dampfreformierung. Bei diesen Verfahren geht ein Großteil der während des gesamten Prozesses entstehenden CO₂-Emissionen auf den Wärmeeintrag durch die Verbrennung fossiler Energieträger zurück.³⁹⁾ Nur ein Teil der bei der Verbrennung freiwerdenden Wärme wird an den Reaktor abgegeben, die restliche Wärme wird über das Rauchgas an die Umgebung abgeführt. Das führt in Kombination mit einer stark endothermen Reaktion zu steilen Temperaturgradienten entlang der Reaktionszone. Durch die heterogene Temperaturverteilung wird der Katalysator nicht nur schlecht genutzt, es besteht auch die Gefahr der Verkokung aktiver Zentren.^40,41) Wegen dieser Faktoren zählen bei Dampfreformierung weniger als 5 % des Reaktor-Brenner-Volumens zur Reaktionszone.^42,43)

Zusätzlich zur CO₂-Einsparung ermöglicht die Elektrifizierung einen raschen Prozessstart und verbessert die Energieeffizienz. Zudem vereinfacht der direkte elektrische Wärmeeintrag die Skalierbarkeit des Reaktors in Abhängigkeit von den geforderten Kapazitäten.^39,44) Haldor Topsøe entwickelt gemeinsam mit der Universität Aarhus eine Pilotanlage zur Herstellung nachhaltigen Methanols – dabei stammt die für die Dampfreformierung von Methan nötige Wärme ausschließlich aus Strom aus Wind- und Solaranlagen. Aufgrund des direkten Wärmeeintrags ließe sich der Reaktor um den Faktor 100 bis 200 bezogen auf konventionelle Reaktor-Brenner-Systeme verkleinern (Abbildung 7).³⁹⁾

Heizen mit Induktion

Eine weitere Alternative zu konventionellen Techniken ist, chemische Reaktoren mit Induktion zu heizen. Für die direkte Beheizung des Katalysators mit Induktion müssen die Katalysatoren ferromagnetisch sein, wobei die materialspezifische Curie-Temperatur oberhalb der Reaktionstemperatur liegt. Bei der Dampfreformierung von CH₄ mit Reaktionstemperaturen über 800 °C sind deshalb besonders Co-basierte Katalysatoren von Interesse. Co-Ni-Katalysatoren, teilweise kupferdotiert, erzielen bei Temperaturen über 750 °C CH₄-Umsätze von bis zu 99 %.^44,45)

Auch Mikrowellenstrahlung kann bei katalytischen Prozessen CO₂ sparen. Einige Studien zur Mikrowellenbeheizung haben sich mit der katalytischen Reformierung von CH₄, Dampf oder CO₂ beschäftigt. Ausschlaggebend ist dabei, dass die Katalysatoren Mikrowellen absorbieren. Deshalb kommen vorrangig kohlenstoffbasierte Systeme oder konventionelle Ni-basierte Katalysatoren gemischt mit Kohlenstoffpartikeln zum Einsatz. Für die Mikrowellenbeheizung sind Kohlenstoffablagerungen am Katalysator kritisch, da diese zu einer heterogenen Temperaturverteilung und Hot Spots im Reaktor führen können.^46,47)

Zukünftig wird es nicht ein spezielles Verfahren, sondern viele Techniken geben, die das vorhandene Potenzial erschließen. Die fluktuierende Verfügbarkeit regenerativen Stroms erfordert neue Techniken und Reaktorkonzepte, die schwankende Produktionsfaktoren tolerieren müssen. Dafür gilt es, durch Forschung an Katalysatoren und Anlagentechnik skalierbare Verfahrenskonzepte für eine effiziente und wirtschaftliche Betriebsweise zu entwickeln. Dabei sind Skalierbarkeit und Anfahrtszeiten der Prozesse zu beachten, wenn es darum geht, die neuen Techniken in regionale Wertschöpfungsketten zu integrieren.^39,48)

Multiskalen-Modellierung

Ob in elektrisch beheizten Reaktoren oder für das chemische Recycling von Kunststoffen – der Katalysator bestimmt maßgeblich die Produktivität und Selektivität des Prozesses,^12,39) da er den Mechanismus und die Mikrokinetik beeinflusst. Die Mikrokinetik verknüpft die Prozesse auf atomarer Ebene mit der Performance des Katalysators im Betrieb. Sie ist der Schlüssel für maßgeschneiderte Katalysatoren und Reaktoren.

Mikrokinetiken werden üblicherweise durch quantenchemische Berechnungen mit Dichtefunktionaltheorie (DFT) bestimmt; in makroskopischen Modellen dienen sie zur Auslegung und Optimierung der Reaktoren. Dies wird als Multiskalen-Modellierung bezeichnet (Abbildung 8).⁴⁹⁾ Aktuelle Herausforderungen sind die zunehmende Komplexität der Reaktionsmechanismen, um Vorgänge an realen Katalysatoren unter Betriebsbedingungen zu beschreiben, etwa beim katalytischen Recycling von Plastikabfällen.

Katalysatorstruktur

Ein realer Katalysatorkristall besteht aus vielen Facetten, die alle an den chemischen Umwandlungsprozessen teilhaben können.^50,51) Zusätzlich ist der Katalysator nicht stationär und verändert seine Gestalt unter Reaktionsbedingungen.⁵²⁾ Das Problem, diese Phänomene zu beschreiben, wird als Material Gap zusammengefasst. Um Experimente mit Ab-initio-Mikrokinetiken wiederzugeben, müssen alle möglichen aktiven Zentren berücksichtigt werden, was Arbeitsaufwand und Komplexität steigert. Zusätzlich ist die Kristallform unbekannt.

Cheula und Co-Autoren:innen⁵⁰⁾ haben zur Simulation der partiellen CH₄-Oxidation an einem Rh-Katalysator ein Multi-Facetten-Modell entwickelt. Dazu bestimmten sie die Konfiguration des Katalysators mit Wulff-Konstruktionen bei verschiedenen Gasphasenzusammensetzungen und ermittelten die Mikrokinetik für jede einzelne Facette mit DFT (Abbildung 9). Van Etten und Co-Autoren nutzten Molekulardynamiksimulationen, um die Gestalt von Co-Katalysatoren für die Fischer-Tropsch Synthese abhängig von der Kristallgröße zu bestimmen.⁵³⁾ In den nächsten Schritten ist zusätzlich der Katalysatorträger zu berücksichtigen, da auch er ein potenziell aktives Zentrum ist.

Mechanismen automatisiert entdecken

Ist die Kristallform bekannt, lässt sich die Mikrokinetik für jede einzelne Facette ermitteln. Hierbei muss der Forschende zunächst alle möglichen Komponenten und Reaktionen basierend auf seinem chemischen Wissen vorhersagen, um dann durch DFT-Berechnungen zu prüfen, welche relevant sind. Durch den hohen Rechenaufwand ist es nicht möglich, das gesamte Reaktionsnetzwerk manuell zu erforschen, was zu falschen Mikrokinetiken führen kann. Eine solche detaillierte Untersuchung funktioniert aber mit automatisierten Mechanismus-Generatoren, etwa dem Reaction Mechanism Generator (RMG).^54,55)

RMG betrachtet alle möglichen Reaktionspfade, wählt aber nur die kinetisch relevanten Pfade für die finale Mikrokinetik.⁵⁴⁾ Energetische Parameter werden hierbei durch Datenbanken und Abschätzmethoden bestimmt, was komplett parametrisierte Mikrokinetiken in wenigen Minuten automatisch erzeugt. RMG haben Mazeau und Kollegen:innen genutzt, um Katalysatoren für die partielle CH₄-Oxidation zu screenen.⁵⁶⁾ Kreitz und Co-Autoren:innen⁵⁷⁾ haben mit RMG Mechanismen für die CO₂-Methanisierung auf Ni(111) bestimmt (Abbildung 10): Selbst für dieses simple System können tausende Reaktionen mit mehreren hundert Intermediaten ablaufen, wobei aber nur ein Bruchteil relevant ist.

Machine Learning

Viele Bereiche der Multiskalen-Modellierung nutzen vermehrt ML-Methoden. Im Open-Catalyst-Project⁵⁸⁾ wird ein neuronales Netzwerk mit DFT-Daten trainiert und kann dadurch die aufwendigen Berechnungen in Zukunft umgehen. Somit eignet sich das Tool für das Katalysatorscreening selbst solch komplexer Systeme wie Bimetalle, wie Zhong und Co-Autoren für die elektrochemische CO₂-Reduktion gezeigt haben.⁵⁹⁾ Zusätzlich eignet sich ML als Werkzeug, um Surrogat-Modelle der Mikrokinetiken zu erstellen, welche dann den Rechenaufwand in CFD-Simulationen reduzieren (CFD = Computational Fluid Dynamics, numerische Strömungsmechanik).⁶⁰⁾

Die rasanten Entwicklungen in den letzten Jahren liefern einen klaren Trend. Perspektivisch wird es möglich sein, strukturabhängige Mikrokinetiken für reale Katalysatorsysteme mit automatisierten Generatoren zu erstellen. Diese lassen sich dann nutzen, um die großen Herausforderungen an die technische Chemie zu meistern, etwa die Produktion nachhaltiger Kraftstoffe oder das katalytische Recycling von Kunststoffen. Da viele Längen- und Zeitskalen überbrückt werden, ist das Arbeitsfeld interdisziplinär. Um die beschriebenen Trends weiter zu erforschen, bedarf es einer verstärkten Kooperation zwischen der Katalyse- und Reaktionstechnikforschung in Deutschland.

• ¹ T. Zink, R. Geyer, J. Ind. Ecol. 2017, 21, 593–602
• ² Let’s build a circular economy, Ellen MacArthur Foundation, bit.ly/3tAwPZG. (Stand 17.1.2022)
• ³ Plasticseurope Deutschland (Hrsg.): Plastics – the Facts 2019, bit.ly/3FvwOss (Stand 17.1.2022)
• ⁴ D. Azoulay, P. Villa, Y. Arellano et al., Plastic & Health – The hidden costs of a plastic planet, 2019, bit.ly/3nv2DeM (Stand 17.1.2022)
• ⁵ D. S. Lee, D. W., Fashey, A. Skowron. et al. Atmos. Environ. 2021, 244, 117834
• ⁶ S. Montava-Jorda, D. Lascano. L. Quiles-Carillo et al. Polymers 2020, 12, 174
• ⁷ K. Ragaert, L. Delva, K. Van Geem, Waste Manage. 2017, 69, 24–58
• ⁸ Z. O. G. Schyns, M. P. Shaver, Macromol. Rapid Commun. 2021, 42, 2000415
• ⁹ R. Volk, C. Stallkamp, J. J. Steins et al., J. Ind. Ecol. 2021, 25, 1318–1337
• ¹⁰ R. A. Vasudeo, A. R. Ajitha, S. S. Patil, K. Kanny, S. Thomas in Multicomponent Polymeric Materials, 2016, 201, 223 325–348, J. K. Kim, S. Thomas, P. Saha (Hrsg.), Springer Netherlands
• ¹¹ U. Schlotter, F. Ausfelder, K. Wendler et al., Forschungspolitische Empfehlungen zum chemischen Kunststoffrecycling – neue Verfahren und Konzepte, Plasticseurope 2021, bit.ly/33LkI0Y (Stand 17.1.2022).
• ¹² J. E. Rorrer, G. T. Beckham, Y. Román-Leshkov, JACS Au 2021, 1, 8–12
• ¹³ S. Kumar, A. K. Panda, R. K. Singh, Resources, Conservation and Recycling 2011, 55, 893–910
• ¹⁴ M. Solis, S. Silveira, Waste Manage. 2020, 105, 128–138
• ¹⁵ Reforming polystyrene, recycling today 2019, bit.ly/3rq1HJZ, (Stand 17.1.2022)
• ¹⁶ G. Grause, R. Kärrbrant, T. Kameda, T. Yoshioka, Ind. Eng. Chem. Res. 2014, 53, 4215–4223
• ¹⁷ M. Blazsó, J. Bozi, J. Chromatogr. A 2013, 1271, 217–220
• ¹⁸ J. Bozi, M. Blazsó, J. Anal. Appl. Pyrol. 2012, 97, 189–197
• ¹⁹ PUReSmart, puresmart.eu (Stand 17.1.2022).
• ²⁰ Covestro, Innovative Recycling–More Reuse, Less Plastic Waste, bit.ly/3qwH4fL (Stand am 17.1.2022).
• ²¹ C. Vasile, M. A. Brebu, T. Karayildirim, J. Yanik, H. Darie, Fuel 2007, 86, 477–485
• ²² I. Vollmer, M. J. F. Jenks, M. C. P. Roelands et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 15402–15423
• ²³ N. Auner, S. Holl, Energy 2006, 31, 1395–1402
• ²⁴ J. Andersson, S. Grönkvist, Int. J. Hydrogen Energ. 2019, 44, 11901–11919
• ²⁵ S. Niaz, T. Manzoor, A. H. Pandith, Renew. Sust. Energ. Rev. 2015, 50, 457–469
• ²⁶ L. Van Hoecke, L. Laffineur, R. Campe, P. Perreault, S. W. Verbruggen, S. Lenaerts, Energy Environ. Sci. 2021, 14, 815–843
• ²⁷ R. Moradi, K. M. Groth, Int. J. Hydrogen Energ. 2019, 44, 12254–12269
• ²⁸ N. van Rooij, V. Seijger, T. Spee, C. Kramers, Eisen als Brennstoff für Schiffe 2019, bit.ly/3AaK0lp (Stand 17.1.2022)
• ²⁹ H. Jorschick, P. Preuster, A. Bösmann, P. Wasserscheid, Sustainable Energy Fuels 2021, 5, 1311–1346
• ³⁰ H. Jorschick, M. Vogl, P. Preuster, A. Bösmann, P. Wasserscheid, Int. J. Hydrogen Energ. 2019, 44, 31172–31182
• ³¹ U. B. Demirci, Energy Technol. 2018, 6, 470–486
• ³² U. B. Demirci, O. Akdim, P. Miele, Int. J. Hydrogen Energ. 2009, 34, 2638–2645
• ³³ P. Julien, J. M. Bergthorson, Sustainable Energy Fuels 2017, 1, 615–625
• ³⁴ A. Düll, P. Rohlfs, O. Deutschmann, M. Börnhorst, im Druck
• ³⁵ D. Wen, Energy Environ. Sci. 2010, 3, 591
• ³⁶ J. M. Bergthorson, Progress in Energy and Combustion Science 2018, 68, 169–196
• ³⁷ J. M. Bergthorson, S. Goroshin, M. J. Soo et al., Appl. Energ. 2015, 160, 368–382
• ³⁸ E. Klemm, C. Lobo, A. Löwe et al., Can. J. Chem. Eng. 2022, doi: 10.1002/cjce.24397
• ³⁹ S. T. Wismann, J. S. Engbæk, S. B. Vendelbo et al., Science 2019, 364, 756–759
• ⁴⁰ G. D. Wehinger, M. Kraume, V. Berg et al., AIChE J. 2016, 62, 4436–4452
• ⁴¹ M. Behnam, A. G. Dixon, Int. J. Chem. React. Eng. 2017, 15, 6, 20170067
• ⁴² D. A. Latham, K. B. McAuley, B. A. Peppley, T. M. Raybold, Fuel Process. Technol. 2011, 92, 1574–1586
• ⁴³ A. Kumar, M. Baldea, T. F. Edgar, Comput. Chem. Eng. 2017, 105, 224–236
• ⁴⁴ M. G. Vinum, M. R. Almind, J. S. Engbæk et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 10569–10573
• ⁴⁵ M. R. Almind, M. G. Vinum, S. T. Wisman et al., ACS Appl. Nano Mater. 2021, 4, 11537–11544
• ⁴⁶ H. M. Nguyen, J. Sunarso, C. Li et al., Appl. Catal. A-Gen. 2020, 599, 117620
• ⁴⁷ I. Julian, C. M. Pedersen, K. Achkasov et al., Catalysts 2019, 9, 867
• ⁴⁸ M. Ambrosetti, A. Beretta, G. Groppi, E. Tronconi, Front. Chem. Eng. 2021, 3, 747636
• ⁴⁹ A. Bruix, J. T. Margraf, M. Andersen, K. Reuter, Nat. Catal. 2019, 2, 659–670
• ⁵⁰ R. Cheula, A. Soon, M. Maestri, Catal. Sci. Technol. 2018, 8, 3493–3503
• ⁵¹ B. Kreitz, G. D. Wehinger, C. F. Goldsmith, T. J. Turek, Phys. Chem. C 2021, 125, 2984–3000
• ⁵² F. Maurer, A. Gänzler, P. Lott et al., Ind. Eng. Chem. Res. 2021, 60, 6662–6675
• ⁵³ M. P. C. van Etten, B. Zijlstra, E. J. M. Hensen, I. A. W. Filot, ACS Catal. 2021, 11, 8484–8492
• ⁵⁴ M. Liu, A. Grindberg Dana, M. S. Johnson et al., J. Chem. Inf. Model. 2021, 61, 2686–2696
• ⁵⁵ C. F. Goldsmith, R. H. J. West, Phys. Chem. C 2017, 121, 9970–9981
• ⁵⁶ E. J. Mazeau, P. Satpute, K. Blöndal, C. F. Goldsmith, R. H. West, ACS Catal. 2021, 11, 7114–7125
• ⁵⁷ B. Kreitz, K. Sargsyan, K. Blöndal et al., JACS Au 2021, 1, 1656–1673
• ⁵⁸ L. Chanussot, A. Das, S. Goyal et al., ACS Catal. 2021, 11, 6059–6072
• ⁵⁹ M. Zhong, K. Tran, Y. Min et al., Nature 2020, 581, 178–183
• ⁶⁰ M. Bracconi, M.Maestri, Chem. Eng. J. 2020, 400, 125469

Drei Fragen an den Autor und Koordinator: Bjarne Kreitz

Ihre Forschung in 140 Zeichen?

Automatisierung der Entwicklung von Reaktionsmechanismen und Multiskalen-Modellierung für komplexe Reaktionen auf realen Katalysatoren.

Welche Methode hat sich in den letzten zwölf Monaten aus Ihrer Sicht am meisten weiterentwickelt?

Machine Learning wurde in immer mehr Bereichen der technischen Chemie eingesetzt und liefert geniale Tools sowie spannende Ergebnisse, insbesondere im Feld „Computational Catalysis“.

Welche Anregung hat Ihnen das Sichten der Trendbericht-Literatur für Ihre eigene Forschung geliefert?

Die katalytische Aufbereitung von Plastikabfällen hat mich fasziniert. Es ist von enormer Bedeutung und gleichzeitig furchtbar kompliziert, bietet aber ein großes Spielfeld mit vielen Chancen, da noch fast alles unbekannt ist.

Diesen Beitrag haben Philip Biessey, Marion Börnhorst, Verena Schallhart, Thomas Westermann und Bjarne Kreitz verfasst. Biessey erforscht an der Universität Bochum chemisches Kunststoffrecycling und Rezirkulation von Stoffströmen in der Prozessindustrie. Börnhorst beschäftigt sich am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit Multiphasenprozessen und -reaktoren. Schallhart entwickelt am Management Center Innsbruck Materialien für elektrisch beheizbare Reaktoren. Westermann ist bei Covestro zuständig für Reaktorauslegung für Mehrphasenprozesse (Kinetik, Stoffdaten, Misch- und Strömungstechnik) mit Fokus auf die Kreislaufwirtschaft. Trendbericht-Koordinator Kreitz ist derzeit Postdoktorand mit einem Feodor-Lynen-Forschungsstipendium der Alexander-von-Humboldt-Stiftung an der School of Engineering, Brown University in Providence (USA). Dort forscht er an Mikrokinetiken für heterogen katalysierte Reaktionen.

Wissenschaft + ForschungTrendberichte