Electrify-CerAMics – Additive Fertigung von elektrisch leitfähigen Keramiken für Wasserstoffproduktionsprozesse

Die Transformation industrieller Prozesse in Richtung eines nachhaltigen Betriebs ist von hohem gesellschaftlichen, ökologischen und ökonomischen Interesse. Insbesondere im Bereich chemischer Umwandlungsprozesse stellt die Prozessintensivierung einen wichtigen Ansatz dar: durch Einsatz optimierter Reaktordesigns können spezifischer Energiebedarf verringert und Prozesseffizienz erhöht werden. Durch die Elektrifizierung von derzeit überwiegend mit fossilen Brennstoffen betriebenen Prozessschritten, vorrangig der Beheizung, kann zudem elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen direkt genutzt und durch eine funktionelle Integration die Heizwirkung auf notwendige Reaktorbereiche beschränkt werden. Neben der Effizienzsteigerung führt dieses Konzept auch zu einer signifikanten Reduktion des Bedarfs an kritischen Materialien, insbesondere Edelmetall-basierter Katalysatoren.

Keramische Werkstoffe stellen aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften hervorragende Reaktormaterialien dar. Der Einsatz additiver Fertigungstechnologien (AM), insbesondere lichtbasierter Methoden, ermöglicht die Implementierung komplexer, maßgeschneiderter Reaktordesigns. Keramiken sind allerdings überwiegend elektrische Isolatoren, die als Heizleitermaterialien ungeeignet sind. Die Einbringung elektrisch leitfähiger Sekundärmaterialien stellt beträchtliche Probleme und Einschränkungen entlang der gesamten Prozesskette dar.
Um diesen Herausforderungen zu begegnen besteht die Kernidee von Electrify-CerAMics darin, innovative Material- und Prozessierungsstrategien in Richtung neuer elektrisch leitfähiger keramischer Materialien auf Basis präkeramischer Polymere zu entwickeln, die sich im polymeren Zustand mittels Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM) strukturieren lassen, und die die Ausbildung elektrisch leitfähiger Phasen während der thermischen Keramisierung ermöglichen.

Die wesentlichen Projektziele sind

1. die Definition präkeramischer Systeme welche mittels LCM strukturiert und anschließend in keramische Werkstoffe umgewandelt werden können,
2. die Erzeugung elektrisch leitfähiger Phasen innerhalb dieser Werkstoffe,
3. die Implementierung von AM-Strategien zur Integration elektrisch leitender und isolierender Phasen innerhalb eines einzigen Bauteils,
4. der Funktionsnachweis der LCM-strukturierten polymerabgeleiteten Keramiken mit integrierter Heizfunktionalität für die Wasserstoff-Erzeugung, und
5. die Abschätzung der ökologischen Auswirkungen des Projektkonzepts mittels Methoden der Lebenszyklusanalyse.

Die Kombination von präkeramischer Polymertechnologie, lichtbasierter AM-Methoden, und der zielgerichteten Integration elektrischer Leitfähigkeit über die Bildung elektrisch leitfähiger Netzwerke stellt ein Novum dar, das neuartige katalytische Reaktoren mit integrierter Heizfunktionalität für chemische Umwandlungsprozesse ermöglicht. Neben der technologischen Innovation stellt auch die umfassende Betrachtung der ökologischen Auswirkungen unseres Material- und Prozesskonzepts eine Neuheit dar.

Aufgrund der vielfältigen potenziellen Einsatzszenarien 3D-strukturierter elektrisch leitfähiger Keramiken über das betrachtete Anwendungsszenario hinaus gehen wir von einer hohen Wirkung der Resultate sowohl in wissenschaftlicher als auch industrieller Hinsicht aus, wobei eine hohe Breitenwirkung durch gezielte Dissemination der Resultate in Form von Publikationen bis hin zu Präsentationen vor potenziellen industriellen Stakeholdern gewährleistet wird.

Projektleitung

Associate Prof. Dr. Thomas Konegger
TU Wien – Institut für Chemische Technologien und Analytik

Projekt- bzw. Kooperationspartner

• Lithoz GmbH
• TU Wien – Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften

Associate Prof. Dr. Thomas Konegger
TU Wien – Institut für Chemische Technologien und Analytik
Getreidemarkt 9/164-CT, 1060 Wien
Tel.: 01 58801 16161
E-Mail: thomas.konegger@tuwien.ac.at
Web: www.tuwien.at/tch/ceramics