Bei der thermochemischen Reduktion werden poröse Mikropartikel aus Eisenoxiden mit grünem Wasserstoff zu reinem Eisen reduziert. Die thermo-chemische Oxidation der Eisenpartikel mit Luftsauerstoff zu Eisenoxid stellt den komplementären Prozess dar und schließt den Kreislauf. Für die Reduktion und Oxidation müssen die Reaktionen und ihre Kopplung an Transportprozesse sowohl auf der Ebene der einzelnen Teilchen als auch im Wirbelschichtreaktor (Reduktion) und in der Flamme (Oxidation) verstanden werden. Bei diesen Prozessen können der Stoffaustausch zwischen der Gasphase und den Eisen-/Eisenoxidpartikeln sowie innerhalb der porösen Partikel und die Kinetik der Oxidations-/Reduktionsreaktion potenziell geschwindigkeitsbestimmende Prozesse sein. Die Kinetik der Eisenoxidation und Eisenoxidreduktion wird stark von den Umgebungsbedingungen (Temperatur, Zusammensetzung der Gasatmosphäre) und den Partikeleigenschaften (Partikelgröße, Porosität usw.) beeinflusst. Darüber hinaus bilden sich auf der äußeren Schale poröse Schichten aus verschiedenen Eisenoxiden (FeO, Fe3O4, Fe2O3) oder (temporär) weniger poröse Eisenschichten, die den Stofftransport während der Oxidation und Reduktion erheblich beeinflussen. Die Dynamik, die Struktur und der Einfluss dieser geschichteten (Kern-Schale) Strukturen auf die Kinetik der Oxidation und Reduktion sind nur unzureichend verstanden.
Ziel dieses Teilprojekts ist die experimentelle Untersuchung der Phasenzusammensetzung und der Fe-Oxidationszustände von Eisen(oxid)-Mikropartikeln während des Redoxprozesses unter verschiedenen Bedingungen, einschließlich Verunreinigungen und Dotierstoffen. Verschiedene Röntgentechniken wie XAS, XRD und Tomographie sowie ergänzende Mössbauer-Spektroskopie (Kramm) und SAXS (Nirschl) werden eingesetzt, um ein Modell für diesen Prozess zu entwickeln. Dies wird für reines Eisen(oxid) und für Eisenmikropartikel, die mit anderen Metallen (strukturelle/elektronische Promotoren) dotiert sind, durchgeführt. Die gewonnenen Daten werden mit DFT-Simulationen (Studt) korreliert und liefern Daten für die Entwicklung von makrokinetischen Modellen (Deutschmann) sowie für die Modellierung von Eisenflammen (Hasse). Das erhaltene Oxidations-/Reduktionsmodell wird weiter validiert und durch röntgenspektroskopische Aufnahmen (Spectroptychography) ergänzt, die eine direkte Visualisierung von Schichten verschiedener Phasen und eine direkte Beobachtung der sich entwickelnden Porosität in diesen Phasen ermöglichen. In Zusammenarbeit mit den Gruppen von Hussong und Kramm wird das Auflösungsverhalten in nichtwässrigen Lösungen mit XANES- und EXAFS-Spektroskopie untersucht. Darüber hinaus werden diese Techniken dazu beitragen, die während der elektrochemischen Reduktion ablaufenden Prozesse zu entschlüsseln, was zu einer Verbesserung des Prozesses führen wird, indem z. B. die Wasserstoffentwicklung unterdrückt wird.
Wissenschaftliche Fragen und Herausforderungen:
- Messung der strukturellen Veränderungen, die während der Reduktion von Eisenoxid unter verschiedenen transienten Bedingungen auftreten und Verständnis des Einflusses von Verunreinigungen durch QEXAFS und verwandte Operando-Techniken.
- Entwicklung eines detaillierten Kern-Schale-Mechanismus für den thermochemischen Reduktions-Oxidationsprozess durch zeitaufgelöste Röntgenspektroskopie und Tomographie.
- Untersuchung des Auflösungsverhaltens von Eisenoxiden in nichtwässrigen Elektrolyten mittels XAS und Entschlüsselung der Prozesse, die während der elektrochemischen Reduktion auftreten, um den Prozess zu verbessern und Nebenreaktionen wie die Wasserstoffentwicklung zu unterdrücken.
