TP4: Multiskalenanalyse der Wechselwirkungen von Reaktion und Transport bei der e-HP

Marlon Ritz

Motivation und Ziele:
Reaktionen an Katalysatoren führen unweigerlich zu einer Anreicherung oder Verarmung von Reaktanten in der Nähe der Oberfläche. Daher dominieren nicht Elektrodenreaktionsraten, sondern der Speziestransport und Reaktionen im Elektrolyten die Leistungsfähigkeit und Selektivität unter bestimmten Betriebsbedingungen. In diesem Projekt wird die Makrokinetik der elektrochemischen Synthese von H₂O₂ mithilfe experimentell parametrisierter und validierter mechanistischer Modelle in drei Aufbauten mit stark unterschiedlichen Mikroumgebungen untersucht. Die Aufbauten reichen von einem Flüssigphasen-System mit rotierender Scheibenelektrode, das für die Katalyseforschung verwendet wird, über Flüssigphasen-Durchflussreaktoren für den Vergleich mit t-HP bis hin zu Flusszellen im technischen Maßstab mit porösen Gasdiffusionselektroden. Die entsprechenden Modelle werden verwendet, um die Auswirkungen von Transport, Reaktionen, Nebenreaktionen und den daraus resultierenden Elektrolytbedingungen auf definierte Leistungsindikatoren wie Selektivität, Produktivität und Energieeffizienz zu quantifizieren. Die Bedingungen, Limitierungen und Leistungsindikatoren werden zwischen den verschiedenen Aufbauten und auch mit der t-HP verglichen. Der Kurzschlusszustand elektrochemischer Zellen wird mit dem t-HP-Reaktor verglichen, um zu bewerten, inwieweit chemische Reaktionen als kurzgeschlossene elektrochemische Reaktionen betrachtet werden können. Aus diesen Analysen werden Ideen abgeleitet, wie ein vorteilhaftes Massentransportregime in Reaktoren oder Zellen eingestellt werden kann, um die Leistungsfähigkeit und Untersuchungsbedingungen zu verbessern.