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.
- Neues Instrument bei BESSY II: Die OÆSE-Endstation in EMILAn BESSY II steht nun ein neues Instrument zur Untersuchung von Katalysatormaterialien, Batterieelektroden und anderen Energiesystemen zur Verfügung: die Operando Absorption and Emission Spectroscopy on EMIL (OÆSE) Endstation im Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL). Ein Team um Raul Garcia-Diez und Marcus Bär hat die Leistungsfähigkeit des Instruments an elektrochemisch abgeschiedenem Kupfer demonstriert.
- Grüner Wasserstoff: Käfigstruktur verwandelt sich in effizienten KatalysatorClathrate zeichnen sich durch eine komplexe Käfigstruktur aus, die auch Platz für Gast-Ionen bietet. Nun hat ein Team erstmals untersucht, wie gut sich Clathrate als Katalysatoren für die elektrolytische Wasserstoffproduktion eignen. Das Ergebnis: Effizienz und Robustheit sind sogar besser als bei den aktuell genutzten Nickel-basierten Katalysatoren. Dafür fanden sie auch eine Begründung. Messungen an BESSY II zeigten, dass sich die Proben während der katalytischen Reaktion strukturell verändern: Aus der dreidimensionalen Käfigstruktur bilden sich ultradünne Nanoblätter, die maximalen Kontakt zu aktiven Katalysezentren ermöglichen. Die Studie ist in „Angewandte Chemie“ publiziert.
- Elegantes Verfahren zum Auslesen von Einzelspins über PhotospannungDiamanten mit spezifischen Defekten können als hochempfindliche Sensoren oder Qubits für Quantencomputer genutzt werden. Die Quanteninformation wird dabei im Elektronenspin-Zustand der Defekte gespeichert. Allerdings müssen die Spin-Zustände bislang optisch ausgelesen werden, was extrem aufwändig ist. Nun hat ein Team am HZB eine elegantere Methode entwickelt, um die Quanteninformation über eine Photospannung auszulesen. Dies könnte ein deutlich kompakteres Design von Quantensensoren ermöglichen.