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Chemische Reaktionen in Echtzeit beobachten Wärmebilder live aus dem Reaktor

| Autor/ Redakteur: Rainer Klose* / Christian Lüttmann

Viele chemische Reaktionen laufen nur bei hohem Druck und hoher Temperatur ab. Die Reaktoren sind dementsprechend massiv. Um trotzdem zu verfolgen, was genau im Inneren geschieht, ist eine umfassende Sensorik nötig. Für eine bessere Reaktionskontrolle haben Schweizer Forscher nun ein System entwickelt, das den Ablauf von Synthesen live mitverfolgt – mithilfe von Infrarotkameras.

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Forscher des gemeinsamen EPFL-Empa-Labors haben ein Reaktorsystem und eine Analysemethode entwickelt, die es erstmals erlauben, die Herstellung von synthetischem Erdgas aus CO2 und Wasserstoff in Echtzeit zu beobachten.
Forscher des gemeinsamen EPFL-Empa-Labors haben ein Reaktorsystem und eine Analysemethode entwickelt, die es erstmals erlauben, die Herstellung von synthetischem Erdgas aus CO2 und Wasserstoff in Echtzeit zu beobachten.
(Bild: EPFL)

Dübendorf/Schweiz – Infrarot (IR)-Thermografie wird eingesetzt, um die Temperatur von Lebewesen oder Objekten mit hoher Präzision und ohne Beeinträchtigung des zu messenden Systems zu bestimmen. Ein einzelnes Bild, das mit einer IR-Kamera aufgenommen wird, kann die gleiche Menge an Informationen wie hunderte bis Millionen von Temperatursensoren auf einmal erfassen. Darüber hinaus können moderne IR-Kameras hohe Aufnahmefrequenzen von mehr als 50 Hz erreichen, was die Untersuchung dynamischer Phänomene mit hoher Auflösung ermöglicht.

Nun haben Schweizer Wissenschaftler einen Reaktor entwickelt, der mithilfe von IR-Thermografie dynamische Oberflächenreaktionen sichtbar machen kann. Diese Daten lassen sich mit den Ergebnissen anderer schneller Gasanalysemethoden korrelieren, um ein ganzheitliches Verständnis der Reaktion unter sich schnell ändernden Bedingungen zu erhalten.

Die Wissenschaftler wandten ihre Methode auf katalytische Oberflächenreaktionen zwischen Kohlendioxid (CO2) und Wasserstoff (H2) an, darunter auch die so genannte Sabatier-Reaktion. Bei diesem chemischen Prozess aktiviert ein Katalysator das relativ inerte CO2, welches dann mit H2 zu Methan reagiert.

Wärmekamera erlaubt Blick in Reaktor

In ihrer Studie zeigten die Forscher erstmals in Echtzeit, wie der Katalysator arbeitet und auf Änderungen in der Zusammensetzung der Ausgangsgase reagiert. Die Ergebnisse haben zu einem besseren Verständnis der genauen Reaktionsabläufe während der Aktivierungsphase geführt. Dies kann zu optimierten Reaktor- und Katalysatordesigns führen und so die Leistung dieser, unter dynamischen Bedingungen ablaufenden, Reaktorsysteme verbessern.

Das folgende Video zeigt den Temperaturverlauf im Reaktor während der Reaktion, bei der Wasserstoffgas von links eingeleitet wird. Am unteren Bildrand sind schematisch die Belegungen der Oberfläche dargestellt. Das Video entspricht der realen Reaktionszeit. Quelle: EPFL

Im Fokus der Forscher stand vor allem die Untersuchung dynamischer Reaktionsphänomene, die bei der Aktivierung aus unterschiedlichen Ausgangszuständen des Katalysators auftreten. „Die Reaktion auf dem Katalysator wird durch eine hydrierte Oberfläche begünstigt, während eine Exposition mit CO2 den Katalysator vergiftet und eine schnelle Reaktionsaktivierung verhindert“, erklärt Robin Mutschler vom gemeinsamen Labor der Empa und der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne in der Schweiz. Seine Kollegin Emanuele Moioli ergänzt: „Dank dieses neuen Ansatzes konnten wir neue dynamische Reaktionsphänomene sichtbar machen, die noch nie zuvor beobachtet wurden.“

Treibstoff aus Wasser und Kohlendioxyd

Ein wichtiges Anwendungsgebiet für die neue Methode der Reaktionsüberwachung ist die Herstellung von synthetischem Methan. Dies findet in e-Fuels Verwendung – erneuerbaren synthetischen Treibstoffen mit ähnlichen Eigenschaften wie die Treibstoffe auf Basis fossiler Energieträger. Dabei nutzt man Wasserstoff, der mit erneuerbarer Energie aus der Wasserspaltung gewonnen wird, und atmosphärisches CO2 als Ausgangsstoffe für die Methansynthese. Typischerweise schwanken die verfügbaren Mengen dieser Ausgangsstoffe, weshalb es umso wichtiger ist, dass die Reaktoren an den Betrieb unter dynamischen Bedingungen angepasst werden. Hierzu leistet der Wärmebild-Reaktor der Schweizer Forscher einen wichtigen Beitrag.

Originalpublikation: R Mutschler, E Moioli, K Zhao, L Lombardo, E Oveisi, A Porta, L Falbo, CG Visconti, L Lietti, A Züttel: Imaging catalysis: Operando investigation of the CO2 hydrogenation reaction dynamics by means of infrared thermography, ACS Catalysis (2019); DOI: 10.1021/acscatal.9b04475

* R. Klose, EMPA Eidgenössische Material-Prüfungs- und Forschungsanstalt, 8600 Dübendorf/Schweiz

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