Watanabe LaboratoryWatanabe Laboratory
WATANABE LABORATORY / RESEARCH
Vier Forschungsthemen zu Materialien, Strukturen, Reaktoren und Energiezufuhr. Wir verbinden Katalyse und Reaktionstechnik, um molekulare Umwandlungen in Prozesse zu überführen.
01 / CARBON CIRCULATION
Wir verbinden CO₂-Umwandlung, Synthesegasproduktion und Festlegung als fester Kohlenstoff zu Systemen der Kohlenstoffzirkulation.
Wir untersuchen Reaktionsprozesse, die CO₂ und Methan als Kohlenstoffquellen nutzen und in Synthesegas als Ausgangsstoff für Kraftstoffe und Chemikalien oder in rückgewinnbaren, nutzbaren festen Kohlenstoff umwandeln. Neben katalytischen molekularen Umwandlungen untersuchen wir Reaktorkombinationen sowie Produkttrennung und -rückgewinnung, um den Verbleib des Kohlenstoffs zu steuern.
Um Industrieabgase vor Ort in Ressourcen umzuwandeln, untersuchen wir die Beziehungen zwischen Gaszusammensetzung, Reaktionstemperatur, Durchfluss und Reaktionsgleichgewicht. Wir verknüpfen die Leistung der Katalysatormaterialien mit der Kohlenstoffbilanz des Gesamtprozesses und streben eine kontinuierliche Umwandlung und Rückgewinnung an.
Wir wandeln CO₂ durch die umgekehrte Wassergas-Shift-Reaktion (RWGS) und die Trockenreformierung von Methan (DRM) in Kohlenmonoxid um. Für das aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehende Synthesegas untersuchen wir, wie Kombinationen aus Reaktionsbedingungen und Katalysatoren seine Zusammensetzung und Produktionsmenge beeinflussen.
Wir kombinieren RWGS mit Reaktionen zur Erzeugung festen Kohlenstoffs aus Kohlenmonoxid sowie Methanisierung mit Reformierung und Zersetzung. Wir untersuchen Bildungsort und Morphologie des Kohlenstoffs, seine Ablagerung auf Katalysatoren und Rückgewinnungsmethoden, um Prozesse zur Kohlenstoffentnahme während laufender Reaktionen zu entwickeln.
Wir verbinden mehrere Reaktionsstufen und passen Temperatur, Gaszusammensetzung und Wasserentfernung in jeder Stufe an. Wir erfassen die Rolle jeder Reaktion und den Stofftransport zwischen den Stufen, um CO₂-Umwandlung, Produktrückgewinnung und Kohlenstoffnutzung im gesamten Reaktorsystem zu bewerten.
02 / STRUCTURED CATALYSTS
Spiralen, poröse Metalle und Beschichtungen ermöglichen Reaktoren, die Wärme- und Stofftransport berücksichtigen.
Die Leistung katalytischer Reaktoren hängt neben der Aktivität des Katalysatormaterials auch von der Gasströmung, der Wärmeübertragung und dem Stofftransport zur Katalysatoroberfläche ab. Wir nutzen strukturierte Katalysatoren auf Basis von Spiralen und porösen Metallen, um Reaktionsräume durch Material und Geometrie zu gestalten.
Wir bringen katalytische Komponenten durch Washcoating und Metallabscheidung auf Träger auf und passen ihre Verteilung sowie die Geometrie der Strömungskanäle an. Wir verbinden Reaktionsexperimente mit Strömungs- und Wärmeübertragungsanalysen, um den Gastransport zum Katalysator und den Transport der Reaktionswärme zu untersuchen.
Wir untersuchen, wie die Verdrillung von Spiralen und die Strömungskanäle poröser Metalle die Gasmischung, Verweilzeit und den Katalysatorkontakt beeinflussen. Wir prüfen den Zusammenhang zwischen Reaktionsleistung und Druckverlust bei steigendem Durchfluss und suchen nach Reaktorgeometrien für den jeweiligen Durchsatz.
Wir bilden Katalysatorschichten auf Metallträgern durch Washcoating und stromlose Metallabscheidung. Wir untersuchen die Beziehungen zwischen Beladung, Verteilung, Haftung und Reaktionsleistung und nutzen dabei die Wärmeleitfähigkeit des Trägers und die Funktion des Katalysatormaterials.
Wir untersuchen Strömung und Temperaturverteilung in Reaktoren durch Experimente und numerische Strömungsmechanik (CFD). An Reaktionen wie der CO₂-Methanisierung bewerten wir, wie die Geometrie strukturierter Katalysatoren zur Verteilung der entstehenden Wärme und zur Versorgung mit Reaktionsgasen beiträgt.
03 / e-REACTION PROCESS
Elektrische Energie wird direkt in Reaktoren und Katalysatoren eingebracht, um schnelle Reaktion, lokale Beheizung und kompakte Anlagen zu nutzen.
Wir leiten Strom direkt durch metallische Katalysatorstrukturen und nutzen die durch den elektrischen Widerstand erzeugte Joule-Wärme für Reaktionen. Durch Wärmeerzeugung in der katalysatortragenden Struktur steuern wir die räumliche Beziehung zwischen Energiezufuhr und Reaktion und untersuchen chemische Prozesse ausgehend von der Heizmethode.
Wir verknüpfen Material- und Wärmeerzeugungseigenschaften elektrifizierter Katalysatoren mit Temperaturverteilung und Wärmeübertragung im Reaktor. Wir untersuchen die Reaktion auf Änderungen von Eingangsleistung, Gasdurchfluss und Reaktionsgemisch und entwickeln elektrifizierte Prozesse einschließlich CO₂-Methanisierung und Reformierung.
Wir untersuchen die Beziehungen zwischen Strompfaden, elektrischem Widerstand der Struktur, Anordnung der Katalysatorschicht und Wärmeerzeugung. Wir messen Eingangsleistung und Reaktionstemperatur und vergleichen mit externer Beheizung, um den Einfluss der Wärmezufuhr auf katalytische Reaktionen zu bewerten.
Wir untersuchen Umsatz, Produktzusammensetzung und Katalysatorzustand bei elektrifizierter CO₂-Methanisierung (e-Methanation) und Trockenreformierung von Methan (e-DRM). Sowohl für exotherme als auch für endotherme Reaktionen prüfen wir den Zusammenhang zwischen direkter Erwärmung und Reaktionswärme.
Wir kombinieren Reaktionen wie Methanisierung und Reformierung stufenweise und passen Stromversorgung und Betriebsbedingungen jeder Stufe an. Wir untersuchen das Verhalten beim Anfahren und bei Betriebsänderungen, die Steuerung der Synthesegaszusammensetzung und kompakte Anlagen, um vor Ort nutzbare Reaktionssysteme zu entwickeln.
04 / LATTICE SULFUR CATALYSIS
Wir untersuchen Redoxprozesse mit Schwefelfreisetzung aus Sulfiden und Wiedereinbau aus H₂S, sodass Gitterschwefel über Schwefelleerstellen wiederholt genutzt wird.
Wir nutzen den Gitterschwefel (Gitter-S) von Sulfiden als an Reaktionen beteiligte chemische Spezies. Im Mittelpunkt stehen seine Beteiligung an der Wasserstoffabstraktion aus Kohlenwasserstoffen und seine Freisetzung als H₂S sowie die anschließende Wiedereinlagerung von Schwefel in Schwefelleerstellen.
Mit Redoxzyklen, die Gitterschwefel wiederholt verbrauchen und regenerieren, untersuchen wir die Dehydrierung von Alkanen und die Umwandlung schwefelhaltiger Verbindungen. Wir prüfen die Beziehungen zwischen dem Materialzustand während der Reaktion und den Produkten, um katalytische Prozesse mit Schwefelspezies zu entwickeln.
Wir untersuchen, wie Gitterschwefel in Sulfiden an der Umwandlung von Kohlenwasserstoffen beteiligt ist. Für Reaktionen wie die Dehydrierung von Alkanen zu Olefinen prüfen wir den Zusammenhang zwischen Katalysatorzusammensetzung, Reaktionstemperatur, Gaszusammensetzung und Produktselektivität.
Wir betrachten die nach der Gitterschwefelfreisetzung verbleibenden Schwefelleerstellen und die Wiedereinlagerung von Schwefel mit H₂S. Wir bewerten Reaktions- und Regenerationsbedingungen, Schwefeltransport und Katalysatorleistung im wiederholten Betrieb, um Bedingungen für die wiederholte Nutzung von Gitterschwefel zu finden.
Wir untersuchen die durch Schwefelspezies vermittelte Kohlenwasserstoffumwandlung und Reaktionen schwefelhaltiger Verbindungen. Wir verknüpfen den Zustand der Katalysatoroberfläche mit der Heizmethode und prüfen, wie Betriebsweisen mit direkter Erwärmung und anderen Methoden Reaktivität und Produkte beeinflussen.
FROM CATALYST TO PROCESS
Unsere Arbeitsweise verbindet Materialchemie mit Reaktionstechnik, strukturierten Katalysatoren und Energiezufuhr.
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