DigiE-tos Digitales Elektrolyseurdesign für die technische organische Synthese

Motivation: DigiE-tos beschäftigt sich mit der Digitalisierung des Designs und der Analyse von Elektrolyseuren für die technische organische Elektrosynthese. Prozesse in den Elektrolyseuren sind multiskalig, von Reaktions- und Degradationsprozessen an Elektroden-oberflächen über Transportprozesse an der Elektrode bis zur Leistungsverteilung in Zellen. Das resultierende Verhalten der Elektrolyseure ist komplex und mit experimentellen Methoden kaum zu verstehen. Simulationen können wertvolle Einblicke geben, aber die wenigen Studien fokussieren sich nur auf einfache Strömungsverteilung und stellen die Kernprozesse an der Elektrode nicht realistisch dar.

Ziele und Vorgehen: Das Konsortium von DigiE-tos hat sich als Ziel gesetzt, die Design- und Analyseprozesse von Elektrolyseuren für die technische organische Elektrosynthese durch Simulationen zu digitalisieren. Bisherige Simulationen beschränken sich auf einfache strömungstechnische Ansätze und können den Kernprozess an der Elektrode nicht realistisch darstellen. Das Projekt entwickelt quantitative Modelle, die den Entwurfsprozess von der molekularen Reaktion bis zum Elektrolyseur umfassen, um limitierende und leistungsbestimmende Schritte und Parameter zu identifizieren. Experimente, Modellentwicklung und Simulationen werden durchgeführt, um die Leistung des Elektrolyseurs zu optimieren. Die Methode wird am Beispiel der elektrochemischen Shono-Reaktion von N-Formyl-pyrrolidin zu 2-Methoxy-N-formylpyrrolidin mit Wasserstoffentwicklung an der Gegenelektrode etabliert. Hierfür gibt es bereits kinetische Messungen in der Literatur und die Komplexität ist begrenzt, so dass eine gute Extrapolation auf andere Prozesse möglich ist.

Innovationen und Perspektiven: Die Erkenntnisse in DigiE-tos unterstützen maßgeblich die wissensbasierte Entwicklung und Digitalisierung neuer Elektrolyseprozesse für organische Elektrosynthesen. Dadurch unterstützt das Projekt nachhaltig die Elektrifizierung in der chemischen Industrie.

Koordinatorin:
Ulrike Krewer (KIT) ulrike.krewer@kit.edu

Beteiligte Institute:
Institut für Angewandte Materialien – Elektrochemische Technologien (IAM-ET)
Institut für Strömungsmechnanik (ISTM)
Institut für Katalyseforschung und-technologie (IKFT)