PRODIGY – Prozessentwicklung in der Gas-Feststoff
Photokatalyse für die Reduktion von CO₂

Nachhaltige Produkte aus CO₂ und Licht

In „PRODIGY“ stellen die fünf wissenschaftlichen Partnerinnen und Partner Nano-Materialien her, die als sogenannte Photokatalysatoren befähigt sind, CO₂ in wertvolle Produkte umzuwandeln. Dies geschieht unter Verwendung des Sonnenlichtes im Prozess einer künstlichen Photosynthese. Da Kohlendioxid ein äußerst stabiles und wenig reaktives Molekül ist, ist dies ein herausfordernder Prozess. Gemessen am Stand der akademischen Forschungen müssen die Ausbeuten und Reaktionsraten deutlich erhöht werden, um von industriellem Interesse zu sein. Damit auch geringe Reaktionsraten wirtschaftlich rentabel werden, wollen die „PRODIGY“-Forschenden Produkte von höherem Wert herstellen, wie zum Beispiel niedere Alkohole, Aldehyde oder Carbonsäuren. Auch die Herstellung von Synthesegas (CO+H₂) als weiteren Baustein einer industriellen Wertschöpfungskette prüfen die wissenschaftlichen Partnerinnen und Partner. Dazu soll die chemische Reaktion durch zusätzliche Reaktionspartner ergänzt werden. Diese will das „PRODIGY“-Team vorzugsweise aus Biogas gewinnen, damit der Prozess nachhaltig bleibt.

Innovationen im Materialdesign und Prozessen

Mit drei innovativen Ansätzen stellt sich das „PRODIGY“-Team den Herausforderungen der Nachhaltigkeit des Prozesses. Der erste Ansatz ist das strategische Design der Materialien; der zweite die reaktionstechnische Optimierung der experimentellen Parameter und der dritte schließlich ist ein Ansatz zur Lebenszyklusanalyse. Herausforderung für das strategische Design ist die Synthese von Nano-Materialien, die so viel Sonnen-Licht wie möglich nutzen, damit sich der Prozess effizient gestaltet. Optimiert werden soll auch die Fähigkeit der Materialien, Kohlendioxid zu binden. Der zweite Ansatz ist das Senken der bisher hohen Reaktions-Temperaturen für die Nutzung von CO₂ als Rohstoff. Bisher erfordert beispielsweise die Herstellung von Synthesegas aus CO₂ und CH₄ eine Temperatur von mehr als 600 Grad Celsius. Durch die strategische Gestaltung von Materialien mit katalytischen und Licht absorbierenden Eigenschaften soll die Kombination von Wärme und Licht genutzt werden. Damit können die chemischen Reaktionen bei niedrigeren Temperaturen ablaufen. Wertvolle Energie wird eingespart. Zudem werden völlig neue Reaktionspfade erschlossen. Der dritte Ansatz: die Lebenszyklus-Bewertung der
Umwelteigenschaften und Kosten (Ökobilanz und Life Cycle Costing). Sie liefert entscheidende Informationen zu den in „PRODIGY“ entwickelten Prozessen, wobei deren Skalierung im industriellen Maßstab berücksichtigt wird. So will das Projektteam sicherstellen, dass die entwickelten
Prozesse nachhaltig sind.

Breit gefächerte Expertise im Konsortium

Das Konsortium aus fünf wissenschaftlichen Partnerinnen und Partnern arbeitet gemeinschaftlich an den drei innovativen Ansätzen. Die Forschenden der Technischen Universität Berlin und der Oldenburger Carl von Ossietzky Universität entwickeln neue maßgeschneiderte Photokatalysatoren mit den erforderlichen optoelektronischen und strukturellen Eigenschaften. Dies geschieht vorrangig auf Basis von preiswertem Kohlenstoffnitrid. Die Nutzung kritischer Rohstoffe wird dabei weitestgehend vermieden. Die wissenschaftlichen Gruppen des koordinierenden Leibniz-Instituts für Katalyse an der Universität Rostock,
des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie und der Technischen Universität Berlin testen
die hergestellten Materialien und optimieren die Reaktionsbedingungen. Sie evaluieren die bedeutendsten
strukturellen und elektronischen Eigenschaften und geben Feedback, um höhere Wirkungsgrade und nützliche Produkte zu erzielen. Forschende des Instituts für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse am Karlsruher Institut für Technologie führen Nachhaltigkeitsanalysen durch, um den Partnerinnen
und Partnern zu ermöglichen, sich von Beginn an auf ökologisch und ökonomisch tragfähige Wege zu konzentrieren. Die Ergebnisse des Projekts, die Materialien und die optimierten Prozesse, sollen der chemischen Industrie als umweltfreundliche Alternativen angeboten werden.

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