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.
- 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.