Helmholtz-Zentrum Berlin etabliert Helmholtz-Nachwuchsgruppe zur elektrochemischen Umwandlung von Kohlenstoffdioxid
Dr. Matthew Mayer
Dr. Matthew T. Mayer von der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Schweiz, wird eine Helmholtz-Nachwuchsgruppe auf dem Gebiet der Energie-Material-Forschung am HZB aufbauen. Er wird erforschen, wie sich mithilfe von erneuerbaren Energien Kohlenstoffdioxid und Wasser elektrochemisch in Kohlenwasserstoffe wie Methan oder Methanol umwandeln lassen. Für den Aufbau seiner Nachwuchsgruppe erhält Matthew Mayer 300.000 Euro pro Jahr für einen Zeitraum von fünf Jahren.
Die Forschung steht vor der großen Herausforderung, neue Lösungsansätze zur Reduzierung des klimaschädlichen Ausstoßes von Kohlenstoffdioxid zu entwickeln. Eine Möglichkeit ist es, die erneuerbare Energien zu nutzen, um Kohlenstoffdioxid und Wasser elektrochemisch umzuwandeln. Dadurch sollen Kohlenwasserstoffe wie Methan, Methanol oder Ethylen entstehen, die wichtige Rohstoffe für die chemische Industrie sind. Die größte Herausforderung dabei ist, die Energieeffizienz, die Reaktionsgeschwindigkeit und die Ausbeute bei der CO2-Katalyse zu verbessern.
Matthew T. Mayer will nun neuartige Elektrokatalyse-Materialien mit heterogenen Bimetall-Oberflächen herstellen. Mit der Synchrotron-, Röntgen- und Photoelektronen-Spektroskopie will der promovierte Chemiker die katalytischen Prozesse in-situ und in operando betrachten und detaillierte chemische Informationen über die Katalysator-Molekül-Wechselwirkung erhalten. Dadurch will Mayer neue Einblicke in katalytische Mechanismen und die Grundsätze der Zellenentwicklung gewinnen, die ein gezieltes Design von Katalysatoren ermöglichen sollen. Diese Erkenntnisse sollen helfen, das Potenzial der elektrochemischen CO2-Reduktion als Technologie für die Bereitstellung von Kohlenwasserstoffen auszuloten.
„Mit Dr. Matthew Mayer gewinnen wir einen sehr profilierten Wissenschaftler, dessen Forschungsgebiet hervorragend unsere Projekte in der Energie-Material-Forschung ergänzt. Seine Arbeit wird von den vielseitigen Analyse- und Synthesemöglichkeiten am HZB profitieren, insbesondere durch die Kombination mit dem brillanten Röntgenlicht von BESSY II“, sagt Prof. Dr. Anke Kaysser-Pyzalla, wissenschaftliche Geschäftsführerin am HZB.
Der US-Amerikaner Matthew T. Mayer studierte Chemie an der Boise State University, USA, und promovierte am Boston Collage. Zurzeit leitet er an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne die Gruppe „Solare Brennstoffe“ im Labor für Photonik und Grenzflächen, das von Prof. Dr. Michael Graetzel geführt wird. Dort erforscht Matthew T. Mayer, wie man Sonnenlicht direkt in Brennstoffe umwandeln kann. Zuvor arbeitete er mehrere Jahre am Boston College in den USA. Er hält zwei Patente und hat zahlreiche Publikationen veröffentlicht. Er wird im Mai 2017 an das HZB kommen, um seine Nachwuchsgruppe aufzubauen.
Gleich zwei neue Helmholtz-Nachwuchsgruppen gehen 2017 an den Start
Das HZB war bei der Ausschreibung der Helmholtz-Nachwuchsgruppen in 2016 besonders erfolgreich. In einem hoch kompetitiven Verfahren wurden aus 49 Anträgen dreizehn neue Nachwuchsgruppen in der Helmholtz-Gemeinschaft bewilligt, darunter zwei vom HZB. Neben Matthew T. Mayer konnte das HZB einen weiteren Wissenschaftler gewinnen: Dr. Antonio Abate will mit seiner Nachwuchsgruppe die Langzeitstabilität für Perowskit-Solarzellen verbessern.
Über das Programm "Helmholtz-Nachwuchsgruppen"
Das Förderprogramm richtet sich an hoch qualifizierte Nachwuchskräfte, deren Promotion zwei bis sechs Jahre zurückliegt. Die Nachwuchsgruppenleiterinnen und -leiter werden durch ein maßgeschneidertes Fortbildungs- und Mentoring-Programm unterstützt und sollen eine langfristige Perspektive am Zentrum erhalten. Ein Ziel des Programms ist es, die Vernetzung von Helmholtz-Zentren und Universitäten zu stärken. Die Kosten – 300.000 Euro pro Gruppe über einen Zeitraum von fünf Jahren – werden je zur Hälfte aus dem Impuls- und Vernetzungsfonds des Helmholtz-Präsidenten und den Helmholtz-Zentren gedeckt.
- Batterieforschung mit dem HZB-RöntgenmikroskopUm die Kapazität von Lithiumbatterien weiter zu steigern, werden neue Kathodenmaterialien entwickelt. Mehrschichtige lithiumreiche Übergangsmetalloxide (LRTMO) ermöglichen eine besonders hohe Energiedichte. Mit jedem Ladezyklus wird jedoch ihre Kapazität geringer, was mit strukturellen und chemischen Veränderungen zusammenhängt. Mit Röntgenuntersuchungen an BESSY II hat nun ein Team aus chinesischen Forschungseinrichtungen diese Veränderungen erstmals experimentell mit höchster Präzision vermessen: Mit dem einzigartigen Röntgenmikroskop konnten sie morphologische und strukturelle Entwicklungen auf der Nanometerskala beobachten und dabei auch chemische Veränderungen aufklären.
- BESSY II: Neues Verfahren für bessere ThermokunststoffeUmweltfreundliche Thermoplaste aus nachwachsenden Rohstoffen lassen sich nach Gebrauch recyclen. Ihre Belastbarkeit lässt sich verbessern, indem man sie mit anderen Thermoplasten mischt. Um optimale Eigenschaften zu erzielen, kommt es jedoch auf die Grenzflächen in diesen Mischungen an. Ein Team der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden hat nun an BESSY II untersucht, wie sich mit einem neuen Verfahren aus zwei Grundmaterialien thermoplastische „Blends“ mit hoher Grenzflächenfestigkeit herstellen lassen: Aufnahmen an der neuen Nanostation der IRIS-Beamline zeigten, dass sich dabei nanokristalline Schichten bilden, die die Leistungsfähigkeit des Materials erhöhen.
- Wasserstoff: Durchbruch bei Alkalischen Membran-ElektrolyseurenEinem Team aus Technischer Universität Berlin, Helmholtz-Zentrum Berlin, Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg (IMTEK) und Siemens Energy ist es gelungen, eine hocheffiziente alkalische Membran-Elektrolyse Zelle erstmals im Labormaßstab in Betrieb zu nehmen. Das Besondere: Der Anodenkatalysator besteht dabei aus preisgünstigen Nickelverbindungen und nicht aus begrenzt verfügbaren Edelmetallen. An BESSY II konnte das Team die katalytischen Prozesse durch operando Messungen im Detail darstellen, ein Theorie Team (USA, Singapur) lieferte eine konsistente molekulare Beschreibung. In Freiburg wurden mit einem neuen Beschichtungsverfahren Kleinzellen gebaut und im Betrieb getestet. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachjournal Nature Catalysis publiziert.