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.

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.

arö

Das könnte Sie auch interessieren

  • Europäische Pilotlinie für innovative Tandem-Solarzellen
    Nachricht
    23.11.2022
    Europäische Pilotlinie für innovative Tandem-Solarzellen
    PEPPERONI ist ein vierjähriges Forschungs- und Innovationsprojekt, das im Rahmen von Horizon Europe kofinanziert und gemeinsam vom Helmholtz-Zentrum Berlin und Qcells koordiniert wird. Das Projekt wird dazu beitragen, die Markteinführung und Massenproduktion von Perowskit/Silizium-Tandem-Photovoltaik-Technologien voranzubringen.

  • Quanten-Algorithmen sparen Zeit bei der Berechnung von Elektronendynamik
    Science Highlight
    22.11.2022
    Quanten-Algorithmen sparen Zeit bei der Berechnung von Elektronendynamik
    Quantencomputer versprechen erheblich kürzere Rechenzeiten für komplexe Probleme. Aber noch gibt es weltweit nur wenige Quantencomputer mit einer begrenzten Anzahl so genannter Qubits. Quantencomputer-Algorithmen können aber auch auf konventionellen Servern laufen, die einen Quantencomputer simulieren. Ein HZB-Team hat damit nun am Beispiel eines kleinen Moleküls dessen Elektronenorbitale und ihre dynamische Entwicklung nach einer Laserpulsanregung berechnet. Die Methode eignet sich auch, um größere Moleküle zu untersuchen, die mit konventionellen Methoden nicht mehr berechnet werden können.
  • Wie sich Photoelektroden im Kontakt mit Wasser verändern
    Science Highlight
    17.11.2022
    Wie sich Photoelektroden im Kontakt mit Wasser verändern
    Photoelektroden auf der Basis von BiVO4 gelten als Top-Kandidaten für die solare Wasserstofferzeugung. Doch was passiert eigentlich, wenn sie mit Wassermolekülen in Kontakt kommen? Eine Studie im Journal of the American Chemical Society hat diese entscheidende Frage nun teilweise beantwortet: Überschüssige Elektronen aus dotierten Fremdelementen oder Defekten fördern die Dissoziation von Wasser, was wiederum sogenannte Polaronen an der Oberfläche stabilisiert. Dies zeigen Daten aus Experimenten eines HZB-Teams an der Advanced Light Source des Lawrence Berkeley National Laboratory. Die Ergebnisse könnten dazu beitragen, bessere Photoanoden für die grüne Wasserstoffproduktion zu entwickeln.