CatLab - Startschuss für eine neue Katalysator-Generation
Am 21. Juni fand die Auftaktveranstaltung für die Eröffnung des CatLab statt.
v.l.n.r.: Prof. Dr. Bernd Rech (HZB), Dr. Stefan Kaufmann (BMBF), Prof. Dr. Robert Schlögl (MPG) © HZB/M. Setzpfandt
Bernd Rech eröffnet den feierlichen Start von CatLab © HZB / M. Setzpfand
Grußwort von Stefan Kaufmann, MdB, Innovationsbeauftragter Grüner Wasserstoff des BMBF © HZB / M. Setzpfand
Prof. Dr. Robert Schlögl (MPG): Die Expertisen der Kooperationspartner optimal nutzen und in einen Technologieschub überführen. © HZB/M. Setzpfandt
Gemeinsame Forschungsplattform des Helmholtz-Zentrums Berlin und der Max-Planck-Gesellschaft nimmt Betrieb auf.
Das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und die Max-Planck-Gesellschaft (MPG) starten in Berlin ihr neues gemeinsames Katalysezentrum CatLab. Im Beisein des Innovationsbeauftragten „Grüner Wasserstoff“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), Dr. Stefan Kaufmann, fand am 21. Juni die feierliche Auftaktveranstaltung statt. Hochrangige Akteure aus Wissenschaft, Politik und Industrie nahmen teil.
Wasserstoff ist ein Schlüsselbaustein für eine erfolgreiche Energiewende. Damit der vielseitige Energieträger aber wirklich zum grünen Wasserstoff wird, muss er mit erneuerbaren Energien hergestellt werden. Gleichzeitig braucht es für die Weiterverarbeitung von grünem Wasserstoff neue nachhaltige Technologien. Die hierfür notwendigen Prozesse haben eine Gemeinsamkeit: Sie sind mit herkömmlichen Katalysatoren nicht realisierbar, sondern benötigen eine neuartige Generation. Genau da liegt das Herzstück von CatLab. Ziel des Katalysezentrums ist es, mit Dünnschichttechnologien und leicht verfügbaren chemischen Elementen nicht nur neuartige, maßgeschneiderte Katalysatoren zu entwickeln, sondern auch die notwendigen Katalyse-Apparaturen neu zu entwerfen. Dies soll zu bahnbrechenden Innovationen und in eine nachhaltige Wasserstoffwirtschaft führen.
Das HZB und die beiden Max-Planck-Institute, Fritz-Haber-Institut (FHI) und Institut für Chemische Energiekonversion (MPI CEC), bündeln dafür ihre Kompetenzen und bauen gemeinsam mit universitären und industriellen Partnern das Katalysezentrum auf. CatLab soll eine Brücke zwischen Grundlagenforschung und Industrie schlagen und wird vom BMBF im Rahmen der Nationalen Wasserstoffstrategie mit rund 58 Millionen Euro gefördert. Insgesamt umfasst das fünfjährige Aufbauprojekt mehr als 100 Millionen Euro.
Dr. Stefan Kaufmann MdB, Innovationsbeauftragter „Grüner Wasserstoff“, betont: „Wir brauchen Spitzenforschung, damit Deutschland zur Nummer eins bei Wasserstofftechnologien wird. Mit dem Katalysezentrum CatLab bündeln die Helmholtz-Gemeinschaft und die Max-Planck-Gesellschaft ihre Expertise – und arbeiten von Anfang an mit der Industrie zusammen. Das sind ideale Voraussetzungen für Innovationssprünge bei Wasserstofftechnologien. Mit Innovationssprüngen made in Germany können wir das Innovationsland Deutschland zum wettbewerbsstarken Vorreiter des klimaneutralen Wirtschaftens machen!“
Prof. Robert Schlögl, wissenschaftlicher Direktor am FHI und MPI CEC, betont den Zeitaspekt: „Mit unserem bei der MPG vorhandenen Verständnis für Katalysatoren und Materialsynthese und der Expertise des HZB für Dünnschichttechnologien und der Möglichkeit am Synchrotron BESSY II zu experimentieren haben wir die einmalige Chance, sehr schnell in das neue Gebiet vorzustoßen. CatLab wird unsere Fähigkeit, hochleistungsfähige Katalysatoren zu entwerfen, in eine neue Dimension bringen; nun können wir Erkenntnisse der Grundlagenforschung in einen dringend benötigten Technologieschub überführen.
Prof. Bernd Rech, wissenschaftlicher Geschäftsführer des HZB, sagt: „Durch unsere Solarzellen-Forschung bringen wir als HZB viel know how beim Design von dünnen Schichten ein. Und BESSY II hat bereits wesentliche Erkenntnisse zum Verständnis von Katalysatoren beigetragen. Wir arbeiten seit vielen Jahrzehnten mit Katalyseforschern aus aller Welt zusammen. Dies alles trägt dazu bei, dass wir mit der nun gestarteten Kooperation in CatLab eine kritische Masse erreichen. Mit der starken Einbindung der Humboldt-Universität und des Berliner Exzellenzclusters UniSysCat sowie der frühen Beteiligung von industriellen Partnern werden wir maßgeblich zur Gestaltung eines zukünftigen nachhaltigen Energiesystems beitragen.“
Hintergrund zu CatLab:
CatLab legt den Fokus darauf, neuartige Dünnschicht-Katalysatoren zu entwickeln und herzustellen. Diese Katalysator-Generation soll wesentlich effizienter arbeiten als bisherige Katalysatoren. Funktionelle Dünnschichtsysteme sollen jeweils individuell an die jeweilige(n) Reaktion(en) angepasst werden können. Dieser Ansatz erfordert zugleich ein völlig neuartiges Apparatur-Design. Damit soll die neuartige Katalysator-Generation Innovationssprünge zur Realisierung von nachhaltigen Wasserstoff-Technologien ermöglichen.
Die räumliche Nähe zur Synchrotronquelle BESSY II des HZB ist ein wesentlicher Aspekt des CatLab, denn kurze Schleifen zwischen Synthese und Analyse werden die Entwicklung stark beschleunigen. Zudem werden Methoden der digitalen Katalyse sowie der computergestützten Modellierung von komplexen Katalysator-Reaktionen-Reaktor-Systemen angewendet. Chemische Reaktoren, die für den Einsatz der neuen Katalysatoren notwendig sind, werden in verschiedenen Konfigurationen gemeinsam von HZB und MPG geplant, aufgebaut und betrieben.
Die Industrie ist von Beginn an eingebunden mit dem Ziel, die gesamte Innovationskette abzudecken und eine Wertschöpfung für den Standort Berlin – und für Deutschland im Allgemeinen – zu generieren. So beteiligt sich die BASF an der Entwicklung und Skalierung von chemischen Reaktoren und Prozessen. Darüber hinaus kooperiert CatLab mit dem Exzellenzcluster UniSysCat und dem Labor BasCat, das die Technische Universität Berlin zusammen mit der BASF betreibt.
In enger Kooperation mit der Humboldt Universität (HU) bieten neu bezogene Labore im IRIS-Forschungsbau der HU in Adlershof optimale Bedingungen für den Start von CatLab. Gleichzeitig wird das Katalysezentrum in mehreren Bauabschnitten langfristig erweitert aufgebaut. Für den ersten Bauabschnitt wurde bereits ein Architektenwettbewerb durchgeführt, der Baubeginn ist für 2022 geplant.
- Grüner Wasserstoff: Wie photoelektrochemische Zellen wettbewerbsfähig werden könntenMit Sonnenlicht lässt sich grüner Wasserstoff in photoelektrochemischen Zellen (PEC) direkt aus Wasser erzeugen. Bisher waren Systeme, die auf diesem 'direkten Ansatz' basieren, energetisch nicht wettbewerbsfähig. Die Bilanz ändert sich jedoch, sobald ein Teil des Wasserstoffs in PEC-Zellen in-situ für erwünschte Reaktionen genutzt wird. Dadurch lassen sich wertvolle Chemikalien für die chemische und pharmazeutische Industrie produzieren. Die Zeit für die Energie-Rückgewinnung des direkten Ansatztes mit der PEC-Zelle kann damit drastisch verkürzt werden, zeigt eine neue Studie aus dem HZB.
- Perowskitsolarzellen durch Schlitzdüsenbeschichtung – ein Schritt zur industriellen ProduktionSolarzellen aus Metallhalogenid-Perowskiten erreichen hohe Wirkungsgrade und lassen sich mit wenig Energieaufwand aus flüssigen Tinten produzieren. Solche Verfahren untersucht ein Team um Prof. Dr. Eva Unger am Helmholtz-Zentrum Berlin. An der Röntgenquelle BESSY II hat die Gruppe nun gezeigt, wie wichtig die Zusammensetzung von Vorläufertinten für die Erzeugung qualitativ-hochwertiger FAPbI3-Perowskit-Dünnschichten ist. Die mit den besten Tinten hergestellten Solarzellen wurden ein Jahr im Außeneinsatz getestet und auf Minimodulgröße skaliert.
- Super-Energiespeicher: Ladungstransport in MXenen untersuchtMXene können große Mengen elektrischer Energie speichern und lassen sich dabei sehr schnell auf- und entladen. Damit vereinen MXene die Vorteile von Batterien und Superkondensatoren und gelten als spannende neue Materialklasse für die Energiespeicherung: Das Material ist wie eine Art Blätterteig aufgebaut, die MXene-Schichten sind durch dünne Wasserfilme getrennt. Ein Team am HZB hat nun an der Röntgenquelle BESSY II untersucht, wie Protonen in diesen Wasserfilmen wandern und den Ladungstransport ermöglichen. Ihre Ergebnisse sind in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht und könnten die Optimierung solcher Energiespeichermaterialien beschleunigen.