Innovative Katalysatoren

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Ein Überblicksbeitrag

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.

Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff mit Hilfe von innovativen Elektrokatalysatoren. Wasserstoff wird als Brennstoff und chemischer Energiespeicher genutzt – Grafik © HZB_Zilian Chen

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 Prashanth W. Menezes, Leiter der Gruppe Materialchemie für Dünnschichtkatalyse am HZB im CatLab-Projekt und Leiter der Gruppe Anorganische Materialien an der TU Berlin.

Zu CatLab: Das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und die beiden Max-Planck-Institute, Fritz-Haber-Institut (FHI) und Institut für Chemische Energiekonversion (MPI CEC), haben gemeinsam das Katalyse-Labor CatLab aufgebaut, das die Forschung an innovativen Katalysatoren beschleunigen soll. Die neue Plattform in Berlin Adlershof soll die Entwicklung neuartiger Katalysatormaterialien vorantreiben, die insbesondere für die Erzeugung von grünem Wasserstoff für die Energiewende dringend benötigt werden. Das fünfjährige Aufbauprojekt soll eine Brücke zwischen Grundlagenforschung und Industrie schlagen.

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