Abschlussbericht des Verbundprojekts MANGAN
Kürzlich wurde das 2015 initiierte und vom Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr (MPI CEC) koordinierte Verbundprojekt MANGAN (siehe: solarify.eu/mangan-wissenschafts-cluster) zum Abschluss gebracht – so eine Medienmitteilung vom 23.06.2020. In diesem großangelegten und vom BMBF geförderten Projekt stellte sich ein breit aufgestelltes Konsortium aus 25 Arbeitsgruppen aus insgesamt 15 Instituten und Universitäten der Frage, ob sich Verbindungen des Elements Mangan als Elektrokatalysatoren für die Wasserspaltung zur industriellen Wasserstoffgewinnung eignen. Inspiriert wurde das Vorhaben unter anderem durch die Photosynthese, in der ein Mangan-Komplex, eingebettet in eine Proteinmatrix, die natürliche Wasserspaltung im Blatt katalysiert.
Eine zentrale Frage des Projekts: Lässt sich Mangan, das in der natürlichen Photosynthese die Wasserspaltung katalysiert, auch in der technischen Elektrolyse zur Wasserstofferzeugung einsetzen – Grafik © cec.mpg.de
Bei dem Projekt wirkten Experten unterschiedlicher Spezialisierungen unter Einsatz diverser Synthese- und Analysetechniken zusammen. Dabei galt es nicht nur unterschiedlichste Verbindungen und Elektroden herzustellen, sondern diese auch bezüglich ihrer katalytischen Eigenschaften in einer einheitlichen Weise zu charakterisieren, wozu eigens ein Standardverfahren entwickelt wurde. So konnten im Laufe des Projekts Charakterisierungsmethoden weiterentwickelt und Erkenntnisse zu Struktur-Funktions-Beziehungen verschiedener Manganverbindungen erlangt werden.
MANGAN – Katalysatoren für die elektrochemische Wasserspaltung
Die Erzeugung von Wasserstoff aus der elektrochemischen Spaltung von Wasser, der Elektrolyse, ist ohne Zweifel eine der Schlüsseltechnologien in einem nachhaltigen Energieszenario [1-3]. Die technische Anwendung wird jedoch noch immer z.B. durch die hohen Kosten von Elektrokatalysatoren auf der Basis von Edelmetallen erschwert. Es werden daher erhebliche Anstrengungen unternommen, um diese Katalysatoren durch kostengünstigere Katalysatoren auf der Basis von erdreichen Materialien wie Eisen, Kohlenstoff oder Mangan zu ersetzen.
Das Projekt MANGAN befasst sich mit Verbindungen auf Manganbasis als Elektrokatalysatoren für die elektrochemische Wasserspaltung. Das Projekt wird vom deutschen Bundesministerium für Forschung und Bildung (BMBF) gefördert. Das Ziel des Projekts ist weniger ein Gerät als vielmehr das Verständnis der Grundlagen der elektrochemischen Wasserspaltung durch Katalysatoren auf Manganbasis in verschiedenen Formulierungen. Dabei spielen die zugrunde liegenden Struktur-Funktionsbeziehungen eine zentrale Rolle. Die Frage, die mit dem MANGAN-Projekt beantwortet werden soll, ist, ob und wenn ja, unter welchen Randbedingungen Verbindungen auf Manganbasis das Potenzial haben könnten, bestehende, aber teure Wasserspaltungskatalysatoren auf der Basis von Edelmetallen zu ersetzen.
MANGAN umfasst 15 Teilprojekte und 25 Forschergruppen aus dem Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, dem Helmholtz-Zentrum Berlin, den Max-Planck-Instituten für Eisenforschung und für Chemische Energieumwandlung, den Technischen Universitäten Aachen, Berlin und Darmstadt sowie den Universitäten Bochum, Duisburg-Essen, Erlangen-Nürnberg, Freiburg, Gießen und Mainz und einem Partner aus der Industrie.
Ein so komplexes Thema wie die elektrochemische Wasserspaltung erfordert Projektpartner aus einem breiten Kompetenzspektrum. Die Expertise der Projektpartner umfasst die Synthese verschiedener Verbindungen auf Manganbasis, wie z.B. wohldefinierte Manganoxide oder manganimprägnierte Kohlenstoffkomposite, neue Elektrodenarchitekturen und Substratmaterialien, grundlegende Elektrochemie und standardisierte Messungen, spektroskopische High-End-Techniken und theoretische Modellierung.
[1] R. Schlögl, ChemSusChem 3, 209 (2010)
[2] J. O. M. Bockris, Int. J. Hydrogen Energy 38, 2579 (2013)
[3] I. Katsounaros, S. Cherevko, A. R. Zeradjanin, K. J. J. Mayrhofer, Angew. Chem. Int. Ed. 53, 102 (2014)
Trotz durchaus vielversprechender anfänglicher Effizienz einiger Elektroden, musste jedoch festgestellt werden, dass die oftmals geringe Stabilität und die schlechte Leitfähigkeit vieler Manganverbindungen entscheidende Hindernisse für eine industrielle Anwendung darstellen. Auch wenn sich somit das Anwendungspotenzial von manganbasierten Elektrokatalysatoren für die Wasserspaltung als eher gering einordnen lässt, konnten durch die interdisziplinäre Herangehensweise an die Problemstellung dennoch essentielle Erkenntnisse erlangt werden. So sind es nicht die Eigenschaften des Katalysators allein, welche die Effizienz des Elektrolyseprozesses bestimmen, sondern vielmehr ein komplexes Zusammenspiel der beteiligten Komponenten, wie die mechanische und elektronische Kompatibilität von Katalysator und Trägermaterial, Einflüsse des Elektrolyten und die Geometrie der Katalysatorschicht und deren Einfluss auf Stabilität und Ladungstransport. Somit konnten Zusammenhänge identifiziert werden, die einen wichtigen Grundstein legen für weiterführende Forschung an Konzepten für ein optimiertes Elektrodendesign auch jenseits von Mangan.
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