CatLab – Catalysis Laboratory

Über CatLab

Der Kern von CatLab – neuartige Katalysatoren für eine effiziente Umwandlung von Energie

Die vor dem Hintergrund des Klimawandels dringend benötigte Defossilierung des Energiesystems erfordert neben dem drastischen Ausbau erneuerbarer Elektrizität auch die Entwicklung alternativer, nachhaltig hergestellter stofflicher Energieträger.

Diese werden als Langzeitspeicher im Energiesystem benötigt, sind als Weichensteller für die Transformation der Mobilität entscheidend und Kernbestandteil von CO₂-neutralen industriellen Prozessen, insbesondere in der energieintensiven Industrie. Die Energiewende in Deutschland und Europa kann daher nur gelingen, wenn wesentliche Mengen der insgesamt benötigten Energie durch synthetische stoffliche Energieträger gespeichert und importiert werden können und ein europäischer Leitmarkt für wasserstoffbasierte Energieträger etabliert wird.

Hierbei besteht die zentrale Aufgabe neuartige Katalysatoren zu entwickeln um eine effiziente Umwandlung chemischer Energie in elektrische und umgekehrt zu gewährleisten – der Kern von CatLab.

Anknüpfungspunkte von CatLab in einem (stark vereinfachten) defossilierten Energiesystem

Forschungsaufgaben

Für diese Energiewandlungen gibt es drei wesentliche Herausforderungen zur Realisierung von CO₂- neutralen Energiesystemen und zur Nutzung von erneuerbarem Strom als Primärenergiequelle im globalen Maßstab:

• Beschleunigter Ausbau der Erzeugung von erneuerbarem Strom
• Nachhaltige Wasserstofferzeugung
• Ferntransport und -lagerung von Wasserstoff durch synthetische Energieträger
• Energiegünstige weitere Umwandlungen in synthetische Kraftstoffe und Grundchemikalien

Um diesen Herausforderungen gerecht zu werden, sind chemische Umwandlungsprozesse basierend auf neuartigen maßgeschneiderten (Chemo-, Elektro- und Photo-) Katalysatoren im industriellen Maßstab notwendig. Dabei muss jeder Katalysator eine Kombination von multifunktionalen Materialien enthalten, die in einem kontrollierten Herstellungsprozess entwickelt werden.

Hierfür ist multidisziplinäre Forschung in Physik, Chemie, Materialwissenschaft, Elektrotechnik und Datenwissenschaft erforderlich, die mit CatLab etabliert wird.

Forschungsgebiete

Der primäre Fokus bezüglich des Anwendungsgebietes der neuartigen Dünnschicht-Katalysatoren soll auf der endothermen Wasserstofffreisetzung aus Kohlenwasserstoffen, sowie dessen sofortige Weiterreaktion mit CO oder CO₂ zu langkettigen Alkoholen liegen.

Dies erfordert die Erforschung und Entwicklung funktioneller, auf die jeweiligen Reaktion(en) angepasster, Dünnschichtsysteme. Dabei ermöglicht die räumliche Nähe zu der Synchrotronquelle BESSY II und den Laboratorien mit ihren vielfältigen Analyse- und Charakterisierungsoptionen kurze Rückkopplungsschleifen. Unterstützt wird die Entwicklung dieser neuen Katalysatorsysteme durch die Methoden der Digitalen Katalyse, der computergestützten Modellierung von komplexen Katalysator-Reaktionen-Reaktor-Systemen. Chemische Reaktoren, die für den Einsatz der neuen Katalysatoren benötigt werden, werden in verschiedenen Konfigurationen gemeinsam von MPG und geplant, aufgebaut und betrieben.

Zudem wird durch die Einbindung von Großunternehmen von Beginn des Vorhabens die gesamte Innovationskette abgedeckt und Wertschöpfung für den Standort Berlin und Deutschland im Allgemeinen generiert.

Geometrische und Elektronische Struktur

Kern der Forschung ist neben der Präparation der Filme und deren katalytische Testung eine tiefgehende Untersuchung der geometrischen und elektronischen Struktur der Katalysatorsysteme mittels spektroskopischen (XPS, NEXAFS, IR, Raman,...) und elektronenmikroskopischen (SEM, TEM,...) Methoden. Der in diesem Projekt verfolgte wissensbasierte Ansatz erfordert eine lückenlose analytische Charakterisierung jedes Arbeitsschritts unter den Arbeitsbedingungen des späteren Prozesses (operando-Methoden).

Katalysche Reaktionen

Der Fokus bei den katalytischen Reaktionen im Rahmen dieses Projekts liegt auf der endothermen Wasserstofffreisetzung aus Kohlenwasserstoffen und Wasser sowie dessen sofortige Weiterreaktion mit CO oder CO₂ zu langkettigen Alkoholen. Im Zentrum der Forschung steht der direkte Energieeintrag in die aktive Phase eines Katalysators.

Dünnschichtsysteme

Die im Projekt betrachteten Dünnschicht-Systeme folgen zunächst dem Wissen, das aus pulverförmigen Katalysatoren gesammelt wurde. Weiterhin werden Familien von Systemen erforscht und entwickelt, die mit steigender Komplexität immer höhere Anforderung an die Beherrschung der Dünnschichttechnik stellen und dafür verbesserte Leistungsfähigkeiten versprechen. Vor allem werden die Systeme aber so gewählt, dass sich die Prozesse der chemischen Dynamik analytisch gut verfolgen lassen und damit der wissenschaftliche Ansatz immer verifizierbar bleibt.

Digitale Katalyse

Die Digitale Katalyse zielt auf eine durch die Theorie unterstützte Entwicklung von heterogenen Katalysatorsystemen ab. Hierbei stehen Datenakquise und Dokumentation im Mittelpunkt. Neben der standardisierten Datenakquise soll auch das Weiterentwickeln von Standardmesskampagnen und dem Auslesen, Speichern und Darstellen von Metadaten sämtlicher Geräteparameter wesentlich zum Erfolg dieses Projektes beitragen. Der wissensbasierte Ansatz erfordert eine enge Kooperation mit der Theorie und eine lückenlose analytische Charakterisierung jedes Arbeitsschrittes unter den Arbeitsbedingungen des späteren Prozesses.

Innovationsplattform Reaktor- und Prozessentwicklung

Chemische Reaktoren, die für den Einsatz der neuen Katalysatoren benötigt werden, werden in verschiedenen Konfigurationen gemeinsam von MPG und HZB in Zusammenarbeit mit der chemischen Industrie geplant, aufgebaut und betrieben. Hier ist von erheblichen Aufwendungen für neue Entwicklungen insbesondere mit dem Ziel der optimierten niedrigeren Energiezufuhr für den Reaktor auszugehen. Basierend auf diesem Konzept ist geplant, Reaktorsysteme aus dem Labormaßstab in die Prototyp-Entwicklung zu überführen.

Langjährige Partnerschaft zwischen dem Helmholtz-Zentrum Berlin und der Max-Planck-Gesellschaft

CatLab ist eine Zusammenarbeit zwischen dem Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie und der Max-Planck-Gesellschaft (Fritz-Haber-Institut, Berlin und Max-Planck-Institut für chemische Energiekonversion, Mülheim).

Die Partner erweitern hierfür ihre bereits langjährige und erfolgreiche Kooperation im Rahmen von Beamline-Entwicklung an BESSY II und bündeln nun ihre Kompetenzen in der Katalyseforschung, der Dünnschicht‐ und Nanotechnologie sowie der operando‐Analytik um gemeinsam die Forschungsplattform CatLab zu schaffen.

Zusammenarbeit weltweit führender Katalysatorgruppen

Das CatLab stärkt die Zusammenarbeit zwischen den weltweit führenden Katalysatorgruppen der Max-Planck-Gesellschaft, dem Exzellenzcluster UniSysCat, der Industrie und dem Energieforschungsprogramm der Helmholtz-Gemeinschaft. Bereits von Beginn an zeigt die chemische Industrie großes Interesse an CatLab. Ein CatLab zugeordnetes Projekt zwischen einem international namhaften Unternehmen und der Helmholtz-Gemeinschaft wurde im Juni 2020 gestartet.

Projektlaufzeit und Förderung

Das Projekt startet mit einer fünfjährigen Aufbauphase. CatLab wird neben signifikanten Eigenbeiträgen der Partner im Rahmen der Nationalen Wasserstoffstrategie durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit rund 51 Mio. Euro gefördert.

Gefördert vom

CatLab im Technologiepark Berlin-Adlershof

Standort und Gebäude

In der Startphase wird CatLab u.a. im IRIS-Forschungsgebäude der Humboldt-Universität zu Berlin (HUB) am Standort Adlershof angesiedelt. Die Abteilung „Anorganische Chemie“ des Fritz-Haber-Instituts verlagert einen Großteil ihrer Arbeit in dieses Gebäude.

Da die Raumnutzung im IRIS-Laborgebäude des HUB zeitlich und räumlich begrenzt sein wird, muss das HZB alternative Räume auf dem Adlershof-Campus schaffen.

Ein neues innovatives Büro- und Laborgebäude, das Forschung auf höchstem Niveau ermöglicht, soll mittelfristig nicht nur CatLab ein zu Hause geben, sondern auch nahtlos mit einem Innovation Center und einer Data Science-Plattform verbinden. (→ Architekturwettbewerb CatLab Gebäude)

CatLab bringt ein internationales Team von Katalyseexperten zusammen

Gründung

Prof. Dr. Bernd Rech
Wissenschaftlicher Geschäftsführer Helmholtz-Zentrum Berlin
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Prof. Dr. Robert Schlögl
Direktor am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft
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Direktorium

Prof. Dr. Serena de Beer
Direktorin am Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion
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Prof. Dr. Carsten Reuter
Direktor des Theorie Instituts am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft
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Prof. Dr. Beatriz Roldan Cuenya
Direktorin am Fritz-Haber-Institut
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Prof. Dr. Rutger Schlatmann
Leiter des Kompetenzzentrum Photovoltaik (PVcomB) am Helmholtz-Zentrum Berlin
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Prof. Dr. Roel van de Krol
Leiter des Instituts Solare Brennstoffe am Helmholtz-Zentrum Berlin
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Koordination

Dr. Steffi Hlawenka
Helmholtz-Zentrum Berlin
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Dr. Katarzina Skorupska
Fritz-Haber-Institut
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Chunge Xia
CatLab Assistentin am Helmholtz-Zentrum Berlin
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Kommunikation und Öffentlichkeitsarbeit

Sophie Spangenberger
Kommunikation, Öffentlichkeitsarbeit & Events am Helmholtz-Zentrum Berlin Visitenkarte