Catalyst Development Center (CDC)

Von Nanopartikeln bis zum industriellen Katalysator: Das Catalyst Development Center (CDC) am KIT verbindet fortschrittliche und skalierbare Materialsynthese mit theoretischen und datengetriebenen Optimierungsansätzen, um den Transfer vom Labormaßstab zur technischen Anwendung mithilfe eines integrierten Forschungsdatenmanagements zu beschleunigen.

Das CDC ist im Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) angesiedelt und stellt eine KIT-weite Materialbeschleunigungsplattform (Material Acceleration Platform, MAP) für die Entdeckung, Entwicklung und Skalierung von Katalysatormaterialien dar, indem systematisch Theorie und Forschungsdaten über die gesamte Prozesskette der Katalysatorentwicklung hinweg erfasst und genutzt werden, d.h. von der Synthese bis zur industriellen Anwendung.

Während die Materialcharakterisierung und die katalytische Testung bereits seit langem wertvolle Daten liefern, schließt das CDC eine essentielle Lücke, indem Daten aus der Katalysatorsynthese und nachgelagerten Verarbeitungsschritten wie die Kalzinierung, die Aktivierung sowie Formgebung von Katalysatoren erfasst. In Kombination mit physikalischen Modellen aus der theoretischen Chemie und maschinellen Lernverfahren wie der Bayes‘schen Optimierung ermöglicht dieser umfassende Datensatz autonome, modell‑ und datengetriebene Optimierungszyklen, die Arbeits‑ und Materialkosten erheblich senken und die Zeit bis zur technischen Demonstration und Anwendung fortschrittlicher Katalysatortechnologien verkürzen.

Katalysatorherstellung: Von konventionellen zu fortschrittlichen Techniken

Ein Merkmal des CDC ist das breite Portfolio an Katalysatorsynthesemethoden, welches sowohl etablierte als auch modernste Techniken sowie mehrere Skalen umfasst und die Herstellung von nanopartikulären Materialien, Pulverkatalysatoren und geformten Katalysator­körpern bis in den Kilogrammmaßstab ermöglicht.

• Imprägnierung: ein konventionelles, robustes Verfahren zum Aufbringen aktiver Komponenten auf Trägermaterialien
• Ko‑Fällung: kontrollierte Herstellung mehrkomponentiger Katalysatorsysteme
• Flammen‑Sprüh‑Pyrolyse (FSP): vielseitige gasphasenbasierte Technik zur Erzeugung definierter Katalysatormaterialien
• Kolloidalsynthese von Clustern und Nanopartikeln: kontrollierbare und einstellbare Herstellung von Edelmetallnanopartikeln
• Surfactant‑freie Nanopartikelsynthese: Metall‑, Oxid‑, Hydroxid‑ und Oxyhydroxid‑Nanopartikel (z. B. Ce, Co, Cu, Fe, In, Ni)

Dieses Portfolio ermöglicht die Produktion technischer Katalysatoren und Nanopartikel, die sowohl als Modellsysteme für fundamentale Struktur‑Aktivität‑Studien als auch als Bausteine für anwendungsrelevante Katalysatoren dienen können.

Skalierung der Katalysator‑Vorbereitung

Der CDC legt besonderen Wert darauf, die Lücke zwischen Grammmaßstab von Forschungskatalysatoren und den größeren Mengen, die für den realen Einsatz erforderlich sind, zu schließen.

• Skalierung konventioneller Katalysatorherstellverfahren (Ko‑Fällung, Imprägnierung, Nanopartikelsynthese): systematisches Hochskalieren von Labor‑ zu Kilogramm‑Mengen
• Kontinuierliche Katalysatorsynthese (Ko‑Fällung, Flammen-Sprüh-Pyrolyse, Nanopartikelsynthese): Übertragung von (Semi‑)Batch‑Synthesen in kontinuierliche Betriebsmodi, um ausreichendes Material für interne Forschungsaktivitäten, Demonstrationsanlagen und externe Partner zu produzieren
• Katalysator‑Formgebung (Agglomeration, Extrusion, Tablettierung): Umwandlung von Pulverkatalysatoren in geformte Körper, was gezielte Studien über zu Effekten der Formgebung auf die physikochemischen Eigenschaften und die katalytische Leistungsfähigkeit ermöglicht und den beschleunigten Transfer in technische Anwendungen unterstützt

Struktur und Ansatz

Das CDC ist in drei miteinander verbundene technische Module aufgeteilt: CAT Scale‑Up, CAT Processing und CAT Screening. Diese werden von einem integrierten Data Control and Management‑Modul vereint. Forschungsgruppen aus der Universität- und Großforschungsaufgabe sind beteiligt und profitieren maßgeblich von dieser Infrastruktur. Durch die Standardisierung von Forschungs‑ und Prozessdatenmanagement minimiert das CDC Barrieren zwischen den verschiedenen Prozessschritten und Disziplinen der Katalysatorentwicklung. Hierbei werden Werkzeuge der NFDI‑Initiativen (Nationale Forschungsdateninfrastuktur) wie beispielsweise NFDI4Cat eingesetzt, um datenbasierte Entwicklung, Optimierung sowie Dokumentation und Archivierung aller (Meta‑)Daten zu ermöglichen.

Das CDC treibt die Etablierung einer digitalen Forschungsinfrastruktur für die Katalysatorherstellung in enger Zusammenarbeit mit der Katalysegemeinschaft voran. Die vollständig digitalisierte Infrastruktur ermöglicht die Produktion und Bereitstellung von Daten für skalierbare Katalysatorsynthesen, welche akademische und industrielle Anforderungen verbinden und so den Transfer von Katalysatorsynthese in die industrielle Umgebung erleichtern.