Design of Electro-Thermocatalytic Reactors for Controlled Regeneration of Atom-Efficient Catalysts

Projektbeschreibung

Katalysatoren für umweltfreundlichere chemische Industrie zu neuem Leben erwecken

Um die Ziele in Bezug auf den Übergang zu erreichen, ist es entscheidend, dass sowohl der Energie- als auch der Chemiesektor rasch nachhaltigere Verfahren und Lösungen einführen. Die chemische Industrie ist bei fast 90 % ihrer Prozesse von Katalysatoren und Katalyse abhängig. Leider beruhen die meisten Katalysatormaterialien auf knappen und teuren Metallen und verlieren mit der Zeit ihre Aktivität, sodass eine Regenerierung als unwirtschaftlich gilt. Im Rahmen des ERC-finanzierten Projekts ReGenCat wird ein revolutionärer elektrothermokatalytischer Reaktor entwickelt, der die Regeneration von Katalysatoren in situ zu geringen Energiekosten gestattet. Im Reaktor werden atomar effiziente Katalysatoren eingesetzt, deren dynamische Umstrukturierung als Reaktion auf Änderungen des angelegten elektrochemischen Potenzials genutzt wird. Dadurch wird eine Regeneration in situ und unter milden Bedingungen, bei niedrigen Drücken und Temperaturen möglich.

Ziel

To address today’s environmental challenges, the production of energy and chemicals must rapidly change. The chemical industry currently relies on catalysts, materials that speed up reactions, in 90% of its processes. Catalysis will thus play a pivotal role in transitioning from our fossil fuel-based society to a more sustainable and renewable society. However, most catalyst materials rely on expensive and scarce metals. Even more strikingly, these metal-based catalysts can present very low atom efficiency (below 20%). In other words, most metal atoms are not used in the reaction. With 34 materials and metals identified as critical by the European Union, metal scarcity issues are thus key hurdles to achieving a clean energy transition. Finally, most catalysts lose their activity over time, and their regeneration is costly. Catalytic reactors and catalysts must be reimagined to face these challenges.

The goal of ReGenCAT is to design a groundbreaking electro-thermocatalytic reactor capable of in situ regeneration of catalysts at low energy costs. The reactor will rely on atom-efficient catalysts called dilute metal alloys. By exploiting the dynamic restructuring of dilute metal alloys in response to changes in applied electrochemical potentials, the reactor will enable in situ regeneration of catalysts under mild conditions at low temperatures and pressure. It will yield synergy and increase the lifetime of catalysts in important reactions involving biomass-derived chemicals. In the long term, I envision that the unique integration of thermocatalysis and electrocatalysis developed in ReGenCAT will also significantly advance current and emerging sustainable technologies relying on renewable electricity - such as fuel cells and electrolyzers - by improving their overall efficiency.