Chemische Brennstoffe erzeugen
Einsetzen eines Probentiegels in eine Anlage
zur thermogravimetrischen Analyse (TGA).
Untersucht wird das thermische Verhalten
von Katalysatoren oder Stoffgemischen zur
Aufklärung der thermischen Stabilität oder
zur Untersuchung von Reaktionsabläufen
(z. B. Katalysatorsynthese).
Brennstoffe sind chemische Energiespeicher. Ihre Energie lässt sich durch Verbrennung (Oxidation) in elektrische, mechanische oder thermische und damit nutzbare Energie umwandeln. HZB Wissenschaftler untersuchen, wie sich die Strahlungsenergie der Sonne einfangen und als chemische Brennstoffe speichern lässt. Ihr Ziel: Solare Brennstoffe, sogenannte solar fuels. Man nehme: Sonnenlicht, Wasser (Elektrolyt), zwei photovoltaisch aktive Elektroden mit integrierten Katalysatoren, schließe alles aneinander an, und schon wird Lichtenergie in chemische – speicherbare – Energie gewandelt. Das Prinzip ist einfach. Und tatsächlich kann man Wasser bereits bei einer Spannung von etwas über 1,23 Volt in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen.
Katalysatoren gesucht
Sollen in kurzer Zeit große Mengen des Energiespeichers Wasserstoff gewonnen werden, sind größere Spannungen nötig. Durch die entstehenden Überspannungen sinkt jedoch der Wirkungsgrad des Systems. Deshalb werden Katalysatoren eingesetzt, die die Verluste begrenzen. Als Katalysatoren kommen unterschiedliche Materialien infrage. Zum Beispiel Platin oder Rutheniumdioxid. Doch viele der derzeit genutzten Katalysatormaterialien sind zwar effektiv, aber oft teuer, nicht ausreichend vorhanden oder in Wasser instabil. Am HZB arbeiten Wissenschaftler deshalb an neuen Katalysatoren. Sie testen dabei nicht nur neue Materialien. Vielmehr vergrößern sie mithilfe spezieller Nanostrukturen auch die Katalysatoroberfläche. Dabei sind kleine Katalysator-Teilchen über halbleitende Trägermaterialien an die Elektrodenoberfläche gebunden.
Elektronen, die mithilfe des Sonnenlichts aus dem halbleitenden Material freigesetzt werden, wandern zur Kathodenoberfläche und erzeugen dort Wasserstoff aus Wasser. Die Forscher müssen nun herausfinden, wie sie die Spannung und den Elektronenfluss zwischen den Elektroden erhöhen können, um mehr Strom in Wasserstoff umzusetzen. Bei ihrer Forschung kommt den Wissenschaftlern die große Expertise des HZB in der Solarzellenforschung zugute. Denn die Materialien müssen nicht nur hervorragende elektrochemische Eigenschaften haben. Sie müssen auch photoelektrochemisch hocheffizient sein. Das heißt, ein Material muss so beschaffen sein, dass durch den Lichteinfall möglichst viele Elektronen mit einem hohen Potenzial freigesetzt werden. Im Idealfall sind die neu entwickelten Materialien Katalysator und Halbleiter in einem und vereinen katalytische Eigenschaften mit der Fähigkeit, Lichtenergie in chemische Energie zu verwandeln.
Monolithische Systeme zur Wasserstofferzeugung.
Wissenschaftler des HZB arbeiten an der Erzeugung von
Wasserstoff aus Wasser an Elektrolyt-Elektroden-Grenzflächen
einer monolithisch aufgebauten Membran. Sie integriert eine
photovoltaische Struktur und geeignete Katalysatoren zu einer
wasserspaltenden Elektrode. Die Umwandlung von Lichtenergie
in zunächst elektrische und dann direkt in chemische Energie
ist an die katalytischen Vorgänge an.der Elektrolyt-Elektroden-
Grenzfläche gekoppelt. Die eingestrahlte Lichtenergie wird
dort in Wasserstoff chemisch gespeichert.
Brennstoffe der Zukunft
Beispielsweise sind Reaktionsbeschleuniger unersetzlich für die großtechnische Synthese von Methanol, einem überaus wichtigen Ausgangsmaterial in der chemischen Industrie und ein vielfach genutzter Energielieferant. Dafür werden aktuell Katalysatoren aus Metalloxiden entwickelt. Die gleiche Art von Reaktionsbeschleuniger spielen eine wichtige Rolle, wenn das Treibhausgas Kohlendioxid aus der Luft chemisch gebunden werden soll oder man Wasserstoff für Brennstoffzellen herstellen oder speichern möchte. Forscherinnen und Forscher am HZB können diesen komplexen Reaktionsmechanismus mit Hilfe von Neutronen und Photonen genauestens aufklären.
Umweltgerechte Mobilität
Katalysatoren spielen ebenso in der Automobilindustrie eine wichtige Rolle. In kombinierten Versuchen mit Synchrotronlicht sowie mit Neutronen untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am HZB zusammen mit großen Autoherstellern Alternativen zum teuren Platin in den Katalysatoren: hochporöse Kohlenstoffe, in die Nanoteilchen aus Selen und Ruthenium eingelagert sind. Ein weiteres wichtiges Arbeitsfeld sind Treibstoffe, insbesondere die Wirkung der darin enthaltenen Zusatzstoffe. Sie sorgen beispielsweise dafür, dass Diesel im Winter die Filter nicht verstopft. Die Aufklärung dieses Wirkmechanismus wurde ganz wesentlich durch Neutronenstreuexperimente vorangetrieben. In wenigen Jahren entsprang so aus der Grundlagenforschung ein marktreifes Produkt, das sich als Additiv heute in vielen gängigen Treibstoffen befindet. Ferner untersuchten Experimentatoren am HZB wie sich Klebstoff verteilt, wenn Bleche im Automobilbau verklebt werden, oder wie sich Ruß in Motoren oder in Triebwerken von Flugzeugen ablagert.
