Arbeitsgruppe Caro

In katalytischen Membranreaktoren sind die Expertisen Katalyse und Membranen synergistisch verbunden. In derartigen Reaktoren lässt sich die Gleichgewichtslimitierung bei solchen Reaktionen wie Dehydrierungen, Veresterungen etc. umgehen und es können höhere Umsätze und Ausbeuten erreicht werden.

FORSCHUNGSEXPERTISE: KATALYSE UND MEMBRANEN

Es liegen umfangreiche Erfahrungen zu vielfältigen katalytischen Reaktionen wie Steamreforming von Methan, Partialoxidation von Methan zu Synthesegas, Aromatisierung und Dimerisierung von Methan, Bildung von Dimethylether und Dimethylcarbonat, oxidative und nicht-oxidative Dehydrierung, aber auch Andrussow- und Ostwaldreaktion vor.

Die Erfahrungen auf dem Gebiet der Gastrennmembranen liegen insbesondere bei geträgerten Zeolith-, Metal-Organic-Framework (MOF)- und Covalent-Organic-Framework (COF)-Membranen. Auch scale up-freundliche Mixed Matrix-Membranen mit MOF- oder COF-Nanopartikeln als Füllstoff in einer Polymermatrix werden als Gastrennmembran bearbeitet.

Die Arbeiten sind durch 360 Publikationen, 42 Patente sowie nationale (Ostwald-Medaille) und internationale (Breck Award) Preise belegt. Die Arbeiten wurden finanziert durch Verbundprojekte der EU, der BMBF und BMWi, die DFG und direkt durch diverse Unternehmen. Teilweise erfolgten die Arbeiten am European Nanoporous Materials Institute of Excellence (ENMIX).

Forschungsbereich nanostrukturierte funktionale Schichten und Materialien
Publikationsliste

SCHALTUNG EINER GASTRENNMEMBRAN DURCH EXTERNE STIMULI

Es wurden zwei Varianten der Schaltung des Gasflusses durch eine MOF-Membran erfolgreich realisiert:

Durch Anlegen eines elektrischen Feldes werden Ionen und Dipole der MOF-Struktur adressiert, es kommt zu einer Gitterdeformation, in deren Folge der Gasfluss durch dies Membran gesteuert werden kann.

Durch Beleuchtung der Membranoberfläche mit Licht einstellbarer Wellenlänge können Azo-Gruppen der MOF-Membran gezielt in trans und cis geschaltet werden. Dadurch wird die Porenweite verändert und der Gasfluss modifiziert.

  • A. Knebel, B. Geppert, K. Volgmann, D.I. Kolokov, A.G. Stepanov, J. Twiefel, P. Heitjans, D. Volkmer, J. Caro, Defibrillation of soft porous metal-organic frameworks with electric fields, Science, 358 (2017) 347-351.
  • A. Knebel, C. Zhou, A. Huang, J. Zhang, L. Kustov, J. Caro, Smart metal-organic frameworks (MOFs): Switching gas permeation through MOF membranes by external stimuli, Chem. Eng. Technol. 41 (2018) 224-234.
  • A. Knebel, L. Sundermann, A. Mohmeyer, I. Strauß, S. Friebe, P. Behrens, J. Caro, Azobenzene guest molecules as light-switchable CO2 valves in an ultrathin UiO-67 membrane, Chemistry of Materials, 29 (2017) 3111-3117.
  • S. Zhou, Y. Wei, L. Li, Y. Duan, Q. Hou, L. Zhang, L.-X. Ding, J. Xue, H.H. Wang, J. Caro, Paralyzed membrane: Current-driven synthesis of a metal-organic framework with sharpened propene/propane separation,Science Adv. 4 (2018) eaau 1393.
  • Z. Wang, A. Knebel, S. Grosejan, D. Wagner, S. Bräse, C. Wöll, J. Caro, L. Heinke, Tunable molecular separation by nanoporous membranes, Nature Commun. 7:13872, 2016.
  • K. Müller, A. Knebel, F. Zhao, D. Bleger, J. Caro, L. Heinke, Switching thin films of azobenzene-containing metal-organic frameworks with visible light, Chem. Eur. J. 23 (2017) 5434-5438.

AROMATISIERUNG VON METHAN IN MEMBRANREAKTOREN

Die Wandlung von Methan in flüssige Energieträger und Chemikalien ist von hoher Relevanz. Einer der verfolgten Wege ist die Methanaromatisierung nach 6 CH4 → C6H6 + 9 H2  bei T>800°C. Die bislang erreichten Ausbeuten liegen jedoch weit unter 10%. Membranreaktoren können dieses Problem jedoch lösen, indem sie sie unter gleichgewichtskontrollierten Bedingungen den abgespaltenen Wasserstoff

  • aus dem Reaktionsraum durch eine neu entwickelte Wasserstoff-selektive Keramikmembran abziehen
  • in situ durch eine stöchiometrische Menge an Sauerstoff verbrennen und dieser Sauerstoff dem Reaktionsraum durch eine neu entwickelte  Sauerstoff-selektive Membran aus Luft zugeführt wird.

Im Rahmen einer nationalen und internationalen Verbundforschung unter Federführung der LUH  von Universitäten, außeruniversitären Forschungseinrichtungen und der Industrie wurden beide Varianten erfolgreich praktiziert.

  • Z. Cao, H. Jiang, H. Luo, S. Baumann, W.A. Meulenberg, J. Assmann, L. Mleczko, Y. Liu, J. Caro, Natural gas to fuels and chemicals: improved methane aromatization in the oxygen-permeable membrane reactor, Angew. Chem. Int. Ed. 52 (2013) 13794-13797.
  • J. Xue, Y. Chen, Y. Wei, A. Feldhoff, H.H. Wang, J. Caro, Gas to liquids: Natural gas conversion to aromatic fuels and chemicals in a hydrogen-permeable ceramic hollow fiber membrane reactor, ACS Catalysis, 6 (2016) 2448-2451.
  • S. Cheng, Y. Wang, L. Zhuang, J. Xue, Y. Wei, A. Feldhoff, J. Caro, H. Wang, A dual-phase ceramic membrane with extremely high H2 permeation flux prepared by autoseparation of a ceramic precursor, Angew. Chemie Int. Ed. 55 (2016) 10895-10898.
Prof. Dr. rer. nat. Jürgen Caro
Professorinnen/Professoren
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Callinstraße 3a
30167 Hannover
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