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Information für die Wissenschaft Nr. 32 | 13. Juni 2017
Schwerpunktprogramm „Katalysatoren und Reaktoren unter dynamischen Betriebsbedingungen für die Energiespeicherung und -wandlung“ (SPP 2080)

Der Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) hat die Einrichtung des Schwerpunkt-programms „Katalysatoren und Reaktoren unter dynamischen Betriebsbedingungen für die Energiespeicherung und -wandlung“ (SPP 2080) beschlossen. Als Laufzeit sind sechs Jahre vorgesehen. Die DFG lädt hiermit ein zur Einreichung von Anträgen für die erste dreijährige Förderperiode.

Im Rahmen der Energiewende stellt die fluktuierende Verfügbarkeit von erneuerbaren Energien wie Wind- und Solarstrom eine der größten Herausforderungen dar. Strom, der an wind- und sonnenreichen Tagen anfällt, kann in Form von chemischen Energieträgern wie Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffen gespeichert werden. Dies setzt voraus, dass Katalysatoren, Reaktoren und elektrochemische Zellen unter von außen aufgeprägten dynamischen Reaktionsbedingungen eingesetzt werden.

Hier setzt das vorliegende Schwerpunktprogramm an. Angewandt auf aktuelle Fragen der Energiewende soll ein grundlegendes Verständnis mikroskopischer Prozesse an festen Katalysatoren unter dynamischen Bedingungen und deren Auswirkungen auf Aktivität, Selektivität und Stabilität erarbeitet werden. Dabei sollen auch die für das Verhalten technischer Katalysatoren wichtigen Transportvorgänge auf der Mesoskala Beachtung finden. Das interdisziplinäre Forschungsvorhaben ist in der Technischen Chemie beziehungsweise der Chemischen Reaktionstechnik lokalisiert und explizit offen für weitere Gebiete der Chemie, Physik oder Materialwissenschaften, die zur Thematik beitragen.

In interdisziplinären Verbünden werden dazu grundlegende und methodische Herausforderungen des dynamischen Betriebs in fünf eng verknüpften Themenbereichen untersucht:

  • Charakterisierung mittels „operando“-Methoden, das heißt unter Reaktionsbedingungen, um Feststoffkatalysatoren „bei der Arbeit“ unter dynamischen Bedingungen zu verstehen,
  • vorhersagekräftige theoretische Beschreibung sich unter dynamischen Reaktionsbedingungen ausbildender aktiver Phasen und am Katalysator ablaufender Elementarschritte,
  • Kinetik und Multiskalenmodellierung unter Einbeziehung atomarer Informationen zum Verständnis des Verhaltens von Katalysatoren und Elektroden unter technischen und dynamischen Bedingungen,
  • gezielt hergestellte Materialien, um katalytisch aktive Oberflächenstrukturen zu stabilisieren und bei periodischer Reaktionsführung zu untersuchen,
  • neuartige Reaktor- und Elektrolyseurkonzepte für methodische Untersuchungen unter transienten Bedingungen.

Die Untersuchung von Elektro- und Feststoffkatalysatoren unter dynamischen, von außen aufgezwungenen Bedingungen soll in diesem Schwerpunktprogramm auf Umsetzungen fokussiert werden, die für die Energiespeicherung und -wandlung relevant sind. Diese umfassen insbesondere die elektro­­katalytische Umsetzung von H2O und/oder CO2 sowie die katalytische Synthese von kleinen Speichermolekülen wie Methan, Kohlenwasserstoffen, Alkoholen, LOHCs (liquid organic hydrogen carriers) oder Ammoniak (beachten Sie Informationen hierzu unter http://www.spp2080.org/). Charakteristisch für alle untersuchten Systeme ist, dass die Dynamik systematisch im Zeitbereich zwischen Sekunden und Tagen von außen aufgeprägt wird, entweder weil die aufgeprägte Dynamik nur mit großem Aufwand vermieden werden kann (z. B. schwankendes Angebot an elektrischer Energie) oder weil durch den dynamischen Betrieb begründete Vorteile für die Raum-Zeit-Ausbeuten oder Selektivitäten der katalytischen Reaktionen erwartet werden. Der zu erwartende Erkenntnisgewinn ist dabei auch interessant für andere Bereiche wie Abgaskatalyse, Selektivoxidationen, Brennstoffzellen, Batterien oder Fotokatalyse. Diese Anwendungen sind jedoch ebenso wie rein physikalisch-chemische Studien nicht Gegenstand dieses Programms.

In einem ersten Schritt sollen im Rahmen des Schwerpunktprogramms die Reaktionen durch zeit- und ortsaufgelöste In-situ-Analytik unter Betriebsbedingungen experimentell untersucht und deren Verständnis durch theoretische Studien und kinetische Modellierung auf mikroskopischer und makroskopischer Ebene vertieft werden. Parallel dazu sollen Konzepte zum gezielten Katalysator- und Reaktordesign erarbeitet werden. Diese sollen zunächst technisch relevante Modellsysteme zur Unterstützung und Überprüfung der spektroskopischen und theoretischen Arbeiten beinhalten und in der zweiten Förderperiode die Vorhersagbarkeit und gezielte Steuerung der an den Katalysatoren und in den Reaktoren ablaufenden Vorgänge ermöglichen. Zudem sollen durch Nutzung zeitlicher Änderungen das Potenzial der Katalysatoren jenseits stationärer Betriebspunkte erschlossen und höhere zeitlich gemittelte Ausbeuten erhalten werden. Transiente kinetische Messungen und entsprechende Modellsimulationen erlauben zudem, die Brücke vom (Elektro-)Katalysator zum Reaktor zu schlagen. Systematische Studien zum dynamischen Betriebsverhalten des Katalysators im Reaktor unter Verwendung geeigneter Modellreaktoren beziehungsweise Modelle erlauben eine multiskalige Analyse und die wissensbasierte Modifikation des Systems Katalysator/Reaktor und seiner Betriebsbedingungen. Schließlich soll das Ziel erreicht werden, die fundamentalen Aspekte der im dynamischen Betrieb möglicherweise beschleunigten Katalysatoralterung zu verstehen. Darauf aufbauend können Konzepte entwickelt werden, die Alterung gezielt zu umgehen und Strategien für optimale dynamische Betriebsweisen zu eröffnen.

Hieraus ergibt sich eine Zweiteilung in Erarbeitung und Anwendung eines grundlegenden Verständnisses für das Verhalten von (Elektro-)Katalysatoren bei dynamischem Betrieb, die sich auch in einer unterschiedlichen Schwerpunktsetzung innerhalb des Programms wiederfindet: In der ersten Förderperiode liegt der Fokus auf der Methodenentwicklung für die Untersuchung, das Design und die Beschreibung von (Elektro-)Katalysatoren im dynamischen Betrieb. Der Bereich der Reaktorkonzepte konzentriert sich auf Modellreaktoren auch mit der Zielsetzung, orts- und zeitaufgelöste Daten in neuer Qualität zu gewinnen. In der darauf aufbauenden zweiten Periode verschiebt sich der Schwerpunkt in Richtung der Nutzung dieser Methoden, um wissensbasiert neue Katalysatoren und Konzepte für dynamisch betriebene Reaktoren zu erarbeiten. Ausgenommen ist dabei die Entwicklung neuer Reaktortechnologien für die technische Umsetzung.

Für den im Rahmen des Schwerpunktprogramms angestrebten Erkenntnisgewinn ist eine enge inhaltliche und methodische Verzahnung der Teilbereiche Spektroskopie, molekulare und kinetische Modellierung, katalytische Materialsysteme und Reaktorkonzepte eine wesentliche Grundvoraussetzung. Die interdisziplinäre und ortsübergreifende Zusammenarbeit ist somit ein wesentliches Kennzeichen dieses Programms. Die einzureichenden Forschungsanträge sollten Kooperationen zwischen Gruppen aus zwei bis drei verschiedenen Teilbereichen beinhalten und somit Netzwerkbildung und Wissenstransfer zwischen den Disziplinen unterstützen.

Antragstellerinnen und Antragsteller werden gebeten, bis spätestens 10. September 2017 Antragsskizzen (max. 2 Seiten; kurze Themenbeschreibung, Angabe zu den Antragstellenden, grobe Schätzung zu den gewünschten Mitteln) für die erste Förderperiode (drei Jahre) in elektronischer Form (pdf-Format) an den Koordinator des Schwerpunktprogramms zu schicken. Sollte eine sehr große Anzahl von Antragsskizzen eingereicht werden, behält sich die DFG-Geschäftsstelle vor, anhand der Antragsskizze und unter Beteiligung von Gutachterinnen und Gutachtern eine Vorauswahl von Skizzen zu treffen, die zur Abfassung eines Vollantrags aufgefordert werden. Die Antragsfrist für die Vollanträge ist der 8. Januar 2018. Das Antragskolloquium soll im April 2018 stattfinden.

Der Vollantrag ist über das elan-Portal der DFG einzureichen – dieses steht Ihnen für die Erfassung der antragsbezogenen Daten und zur sicheren Übermittlung von Dokumenten zur Verfügung. Wählen Sie in der angebotenen Liste der Ausschreibungen unter der Rubrik Schwerpunkt-programme „SPP 2080“ aus. Berücksichtigen Sie bitte beim Aufbau Ihres Antrags das DFG-Merkblatt 54.01 zu Sachbeihilfen mit Leitfaden für die Antragstellung und die Hinweise im Merkblatt Schwerpunktprogramm 50.05, Teil B – Allgemeine Informationen zur Antragstellung.

Handelt es sich bei dem Antrag innerhalb dieses Schwerpunktprogramms um Ihren ersten Antrag bei der DFG, berücksichtigen Sie bitte, dass Sie sich bis zwei Wochen vor der Antragstellung im elan-Portal registrieren müssen. Die Bestätigung der Registrierung erfolgt in der Regel bis zum darauffolgenden Arbeitstag. Ohne vorherige Registrierung ist eine Antragstellung nicht möglich.

Im September/Oktober 2017 findet ein spezielles Rundgespräch für Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler sowie für solche Wissenschaftler, die in den letzten beiden Jahren eine Professur angenommen haben, statt. Hier werden die Grundlagen der Antragstellung für ein Schwerpunktprogramm vermittelt sowie die Thematik des Programms nochmals als Workshop vorgestellt. Ein weiteres Ziel besteht darin, eine Unterstützung für die Vernetzung der Teilprojekte anzubieten. Die Einladung erfolgt auf Basis der Angaben zu den Antragstellerinnen und Antragstellern in den eingereichten Antragskizzen.

Weiterführende Informationen

Detaillierte Informationen zum Schwerpunktprogramm erhalten Sie im Internet unter:

Das elan-Portal der DFG zur Einreichung der Anträge finden Sie unter:

Die Merkblätter DFG-Vordruck 50.05 und 54.01 stehen unter:

Fragen zu den wissenschaftlichen Zielen des Schwerpunktprogramms richten Sie bitte an den Koordinator:

  • Prof. Dr. Jan-Dierk Grunwaldt,
    Institut für Technische Chemie und Polymerchemie, Karlsruher Institut für Technologie, Karlsruhe,
    Tel. +49 721 608-42120,
    grunwaldt@SPP2080.org

Auskünfte zur Antragstellung bei der DFG erteilen:

Hinweis:

Diese "Ausschreibung - Information für die Wissenschaft" ist unter der URL
www.dfg.de/foerderung/info_wissenschaft/2017/info_wissenschaft_17_32/
erreichbar. Bitte verwenden Sie ausschließlich diese URL, um das Dokument zu zitieren oder per Link einzubinden.

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