Grüne Lösungen mit Diamant-Materialien
Nano-Diamant-Materialien könnten helfen, Kohlendioxid zu wertvollen Brennstoffen weiterzuverarbeiten. Sonnenlicht soll sie als Katalysatoren aktivieren. © T.Petit/H.Cords/HZB
Mit 3,9 Millionen Euro fördert das Europäische Forschungsprogramm Horizont 2020 ein internationales Projekt, das die Eignung von (Nano-)Diamant-Materialien als Katalysatoren untersucht: mit Hilfe von Sonnenlicht könnten solche Materialien Kohlendioxid in Brennstoffe umwandeln und damit Solarenergie chemisch speichern.
Synthetische Diamant-Materialien besitzen besondere Eigenschaften: Unter Lichtbestrahlung können sie chemische Reaktionen beschleunigen, also als Katalysatoren agieren. Eine Forschungskooperation aus Frankreich, England, Schweden und Deutschland, darunter auch Prof. Dr. Emad Aziz aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin, will nun synthetische Diamant-Materialien so modifizieren, dass sie mit Hilfe von sichtbarem Licht zu effizienten Katalysatoren werden und Kohlendioxid in Kohlenwasserstoffe oder Brennstoffe umwandeln.
Erfolgreich in der Sektion Future Emerging Technologies
Das Forschungsvorhaben wird unter dem Akronym DIACAT geführt, für „Diamond materials for photocatalytic conversion of carbon dioxide into fine chemicals and fuels using visible light“. Der Antrag setzte sich im strengen Auswahlverfahren in der Sektion “Future Emerging Technologies” durch und wird mit insgesamt 3,9 Millionen Euro gefördert, davon fließen 526,000 Euro an das HZB. Das Projekt wird durch Prof. Dr. Anke Krüger, Julius-Maximilians-Universität Würzburg, koordiniert und bindet Teams aus CEA (Frankreich), University of Oxford (UK), Uppsala University (Schweden), Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik, Ionic Liquid Technologies GmbH, und vom HZB ein.
Experimentelle Möglichkeiten an BESSY II
Emad Aziz hat 2011 einen Starting Grant des European Research Council erhalten und leitet ein großes Team am HZB. An der Synchrotronquelle BESSY II des HZB hat er ein einzigartiges Instrument entwickelt, um Flüssigkeiten und Materialien in Lösung zu untersuchen. Gleichzeitig leitet Aziz auch das Joint Lab an der Freien Universität Berlin, wo ihm Hochleitungslaser mit ultrakurzen Pulsen zur Verfügung stehen. „Wir haben direkten Zugriff auf eine Vielzahl experimenteller Möglichkeiten, um die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Diamant-Materialien zu untersuchen“, sagt er. Postdoktorand Dr. Tristan Petit aus seinem Team bringt Expertise mit Nanodiamanten ein: “Ich habe in den letzten Jahren sehr viel mit Nanodiamanten in Lösung gearbeitet. Nun wollen wir diese Arbeiten auf Grenzflächen und nanostrukturierte Diamant-Oberflächen ausdehnen, um zu sehen, wie wir diese Materialien modifizieren können, damit sie unter Lichtbestrahlung CO2 in die gewünschten Kohlenwasserstoffverbindungen umwandeln”, erklärt er.
Solarenergie chemisch speichern
Das Forschungsprojekt soll nicht nur das experimentelle und theoretische Verständnis von Diamant-Materialien als Katalysatoren erweitern, sondern auch praktisch demonstrieren, dass sie mit Licht Kohlendioxid in Brennstoffe umwandeln. Das Projekt könnte damit eine neue, grüne Technologie anstoßen, mit der sich die Energie des Sonnenlichts chemisch speichern ließe.
- BESSY II: Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von FeststoffbatterienFeststoffbatterien sind sicher und leistungstark, aber ihre Kapazität nimmt zurzeit noch rasch ab. Ein Team der TU Wien, der Humboldt-Universität zu Berlin und des HZB hat nun eine TiS₂|Li₃YCl₆-Halbzelle an BESSY II analysiert. Dafür nutzte das Team eine spezielle Probenumgebung, die eine zerstörungsfreie Untersuchung unter realen Betriebsbedingungen ermöglicht. Durch die Kombination von Weich- und Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS und HAXPES) konnte ein neuer Degradationsmechanismus identifiziert werden. Dabei spielte das Element Sauerstoff eine besondere Rolle. Die Studie liefert wertvolle Einblicke, um Design und Fertigung von Feststoffbatterien zu verbessern.
- Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen DoppelschichtsystemenSpintronische Bauelemente ermöglichen Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieverbrauch. Sie basieren auf der Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten. Nun ist es einem Team von Freier Universität Berlin, HZB und Universität Uppsala gelungen, für jede Schicht separat zu verfolgen, wie sich die magnetische Ordnung verändert, nachdem ein kurzer Laserpuls das System angeregt hat. Dabei konnten sie auch die Hauptursache identifizieren, die für den Verlust der antiferromagnetischen Ordnung in der Oxidschicht sorgt: Die Anregung wird von den heißen Elektronen im ferromagnetischen Metall zu den Spins im Antiferromagneten transportiert.
- Elektrokatalysatoren: Ladungstrennung an der Fest-Flüssig-Grenzfläche modelliertWasserstoff spielt für die Wende hin zur CO₂-Neutralität eine entscheidende Rolle, sowohl als Energieträger als auch als Ausgangsstoff für die grüne Chemie. Die großtechnische Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse sowie vieler anderer chemischer Produkte erfordert jedoch deutlich kostengünstigere und effizientere Katalysatoren. Um Elektrokatalysatoren gezielt zu verbessern, ist es von großem Nutzen, die elektrochemischen Prozesse genau zu verstehen, die an der Grenzfläche zwischen dem festen Katalysator und dem flüssigen Medium ablaufen. Ein europäisches Team hat In der Fachzeitschrift Nature Communications ein leistungsfähiges Modell vorgestellt, das die Ladungstrennung an der Grenzfläche, die Bildung der elektrischen Doppelschicht sowie deren Einfluss auf die katalytische Aktivität hervorragend beschreibt.