Innovative Katalysatoren: Ein Überblicksbeitrag
Die Illustration veranschaulicht die Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff mit Hilfe von innovativen Elektrokatalysatoren. Wasserstoff kann als Brennstoff und chemischer Energiespeicher genutzt werden. © Dr. Ziliang Chen
Grüner Wasserstoff benötigt hocheffiziente (Elektro-)Katalysatoren. Auch für die chemische Industrie, die Düngemittelproduktion und andere Wirtschaftszweige sind Katalysatoren unerlässlich. Neben den Übergangsmetallen sind inzwischen eine Vielzahl anderer metallischer oder nichtmetallischer Elemente in den Fokus der Forschung gerückt. In einem Übersichtsartikel geben Experten des CatLab am HZB und der Technischen Universität Berlin einen Überblick über den aktuellen Wissensstand und einen Ausblick auf zukünftige Forschungsfragen.
Grüner Wasserstoff ist ein wichtiger Baustein in einem klimaneutralen Energiesystem. Er wird durch elektrolytische Spaltung von Wasser mit Wind- oder Sonnenenergie erzeugt und speichert diese Energie in chemischer Form. Doch derzeit ist die Herstellung von grünem Wasserstoff noch nicht wirtschaftlich und effizient genug. Der Schlüssel zur Lösung dieses Problems liegt in der Entwicklung innovativer Elektrokatalysatoren, die nicht nur mit hohem Wirkungsgrad arbeiten, sondern auch langlebig, verfügbar und kostengünstig sein sollten.
Neben den Übergangsmetallen, deren katalytische Eigenschaften bereits gut erforscht sind, sind nun auch Elemente aus den Gruppen der Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Seltenerdmetalle oder Metalloide in den Fokus der Aufmerksamkeit gerückt. Einige Elemente aus diesen Gruppen könnten in Kombination mit Übergangsmetallen die Leistung von Katalysatoren erheblich verbessern und zur Entwicklung von Hochleistungs-Elektrokatalysatoren der nächsten Generation beitragen. Viele der Prozesse, die während der Elektrokatalyse bei der Bildung von Sauerstoff oder Wasserstoff ablaufen, sind jedoch noch nicht im Detail verstanden.
In einem Übersichtsartikel führt nun ein internationales Expertenteam durch dieses spannende Forschungsgebiet und skizziert die nächsten Schritte, die die Katalysatorforschung nehmen könnte. "Dieser Beitrag fasst den aktuellen Wissensstand über unkonventionelle Materialien zusammen und macht ihn für eine breitere Wissenschaftsgemeinschaft zugänglich. Darüber hinaus beschreibt er ausführlich die Rolle dieser Metalle bei der Elektrokatalyse, sowie die Modifizierungsstrategie, die man in Betracht ziehen könnte, wenn man Elektrokatalysatoren einsetzen will, die nicht auf Edelmetallen basieren. Wir hoffen, mit diesem Übersichtsartikel die Forschung und Entwicklung an innovativen Katalysatormaterialien erheblich zu beschleunigen", betont Dr. Prashanth W. Menezes.
Hinweis: Dr. Prashanth W. Menezes ist Leiter der Gruppe Materialchemie für Dünnschichtkatalyse am HZB im CatLab-Projekt und Leiter der Gruppe Anorganische Materialien an der TU Berlin.
Seine Twitterhandle lautet @EnergycatLab
Zu CatLab: Gemeinsam mit dem Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft baut das HZB das Katalyse-Labor CatLab auf, das die Forschung an innovativen Katalysatoren beschleunigen soll. CatLab wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.
- Durchbruch: Erster Elektronenstrahl im SEALab bringt Beschleunigerphysik voranWeltweit zum ersten Mal hat das SEALab-Team am HZB in einem supraleitenden Hochfrequenzbeschleuniger (SRF Photoinjektor) einen Elektronenstrahl aus einer Multi-Alkali-Photokathode (Na-K-Sb) erzeugt und auf relativistische Energien beschleunigt. Dies ist ein echter Durchbruch und eröffnet neue Optionen für die Beschleunigerphysik.
- Optische Innovationen für Solarmodule – Was bringt den Ausbau am meisten voran?Im Jahr 2023 erzeugten Photovoltaikanlagen weltweit mehr als 5% der elektrischen Energie und die installierte Leistung verdoppelt sich alle zwei bis drei Jahre. Optische Technologien können die Effizienz von Solarmodulen weiter steigern und neue Einsatzbereiche erschließen, etwa in Form von ästhetisch ansprechenden, farbigen Solarmodulen für Fassaden. Nun geben 27 Fachleute einen umfassenden Überblick über den Stand der Forschung und eine Einschätzung, welche Innovationen besonders zielführend sind. Der Bericht, der auch für Entscheidungsträger*innen in der Forschungsförderung interessant ist, wurde von Prof. Christiane Becker und Dr. Klaus Jäger aus dem HZB koordiniert.
- Katalyseforschung mit dem Röntgenmikroskop an BESSY IIAnders als in der Schule gelernt, verändern sich manche Katalysatoren doch während der Reaktion: So zum Beispiel können bestimmte Elektrokatalysatoren ihre Struktur und Zusammensetzung während der Reaktion verändern, wenn ein elektrisches Feld anliegt. An der Berliner Röntgenquelle BESSY II gibt es mit dem Röntgenmikroskop TXM ein weltweit einzigartiges Instrument, um solche Veränderungen im Detail zu untersuchen. Die Ergebnisse helfen bei der Entwicklung von innovativen Katalysatoren für die unterschiedlichsten Anwendungen. Ein Beispiel wurde neulich in Nature Materials publiziert. Dabei ging es um die Synthese von Ammoniak aus Abfallnitraten.