Materialchemie gestaltet die Zukunft der Katalyse
Die kontrollierte Synthese von Materialien könnte die Leistung von Elektrokatalysatoren steigern. Links zeigt die Grafik bewährte Synthesemethoden. Rechts sind neue Techniken mit datengesteuerten Ansätzen und in automatisierten Laboren angedeutet. Sie erweitern die Optionen für das gezielte Design von leistungsstarken Elektrokatalysatoren, die für eine postfossile Chemieindustrie (rechts unten) benötigt werden. © HZB
Die synthetische Materialchemie der Zukunft kann als Werkzeug dienen, um smarte und adaptive Elektrokatalysatoren zu entwickeln. Das Forschungsfeld entwickelt sich aktuell rasant, mit In-situ-Analytik, datengestützten Entdeckungen und autonomer Robotik. Diese neuen Ansätze könnten die Entdeckung langlebiger und effizienter Katalysatoren für die zukünftige Energieumwandlung und die Dekarbonisierung der chemischen Industrie beschleunigen. Einen Überblick bietet nun ein Beitrag aus dem Team des Katalyse-Experten Dr. Prashanth Menezes im renommierten Fachjournal Angewandte Chemie.
Der weltweite Übergang zu nachhaltigen Energietechnologien beschleunigt sich. Künftig wird auch die Chemieindustrie fossile Rohstoffe ersetzen und stattdessen über Elektrokatalyse produzierten grünen Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffe nutzen, um die gewünschten Produkte in großem Maßstab herzustellen. Ein Engpass sind allerdings bislang noch die Elektrokatalysatoren, die dafür benötigt werden. Sie müssen aus breit verfügbaren, günstigen Materialien bestehen, die ihre katalytische Funktion selektiv, effizient und stabil erfüllen.
Materialsynthese als Werkzeug
„Was wäre, wenn wir die größten Durchbrüche in der Elektrokatalyse nicht durch das Streben nach besseren Leistungskennzahlen erreichen, sondern dadurch, wie wir die Materialien entwerfen und synthetisieren?“, fragt Dr. Prashanth Menezes. Der Forscher, der am HZB die Abteilung für Materialchemie für Katalyse leitet, hat mit seinem Team einen Überblicksbeitrag im renommierten Journal Angewandte Chemie veröffentlicht. Der Beitrag deckt das gesamte Spektrum synthetischer Verfahren ab, von der Festkörpersynthese, über nasschemische Strategien, bis zur Elektroabscheidung und Methoden des Grenzflächenwachstums.
Eigenschaften und Umwandlungen
„In der Elektrokatalyse konzentrieren wir uns oft auf Aktivität, Selektivität und Langlebigkeit, doch diese Eigenschaften entstehen nicht zufällig. Sie entstehen bereits während der Synthese“, sagt Menezes. Die Phase eines Materials, seine Kristallinität, Defektdichte, Oxidationsstufe, Morphologie, Leitfähigkeit und lokale Koordinationsumgebung werden alle durch die Synthesechemie bestimmt. Diese Eigenschaften bestimmen dann, wie sich aktive Stellen bilden, wie sich Ladungen und Ionen bewegen und sogar, wie sich der Katalysator unter Reaktionsbedingungen dynamisch umwandelt.
Der Übersichtsartikel beleuchtet die gängigen Synthesestrategien und zeigt auf, wie diese sich auf Eigenschaften des Katalysators und dessen Leistung auswirken. „In vielen Fällen ist der von uns synthetisierte Katalysator nicht einmal der endgültige Katalysator, der die Reaktion durchführt. Das eigentliche aktive Material entwickelt sich in situ während des Betriebs“, erklärt Dr. Debabrata Bagchi. Das Verständnis und die Steuerung dieser Transformation sind zentrale Herausforderungen in der modernen Katalyseforschung.
Neue Ansätze mit Robotik und KI
„Dabei zeigen wir auch neue Entwicklungen in der In-situ-Analytik, datengesteuerter Forschung und autonomer Robotik auf und diskutieren, wie diese das Verständnis, die Vorhersagbarkeit, die Reproduzierbarkeit und den Durchsatz der Materialsynthese weiter verbessern“, sagt Dr. Niklas Hausmann. Ein Abschnitt befasst sich mit der industriellen Relevanz der Elektrokatalyse und erläutert, wie Fortschritte in der synthetischen Chemie den Einsatz von Katalysatoren in Elektrolyseuren, CO₂-Reduktionsreaktoren und anderen elektrochemischen Technologien unter realistischen Bedingungen direkt beeinflussen.
Zukunft der Katalyse
Die neuen Ansätze können die Entdeckung langlebiger und effizienter Katalysatoren für die zukünftige Energieumwandlung und die Dekarbonisierung der chemischen Industrie beschleunigen. „Die synthetische Materialchemie ist nicht nur ein vorbereitender Schritt, sondern das entscheidende Werkzeug für die gezielte Entwicklung smarter und adaptiver Elektrokatalysatoren“ sagt Menezes. „Wir treten in eine Ära ein, in der Chemie, moderne Charakterisierungsverfahren, Automatisierung und KI zusammenwachsen. Die Zukunft der Katalyse hängt vielleicht nicht von der Entdeckung eines einzigen Wundermaterials ab, sondern vielmehr davon, dass wir lernen, Materialien und ihre Entwicklung unter Betriebsbedingungen systematisch zu steuern – wobei die Materialchemie die Zukunft der Katalyse bestimmen wird.“
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- BESSY II: Erster Film von Spinwellen im Nano-OszillatorSpin-Hall-Nano-Oszillatoren sind winzige Bauelemente auf Basis von ultradünnen CoFeB-Schichten. Sie wandeln Gleichstrom in Mikrowellensignale um und gelten als Option für eine besonders effiziente drahtlose Kommunikation oder für eine neue Technologie der Datenverarbeitung, die vom Gehirn inspiriert ist. Ein schwedisch-deutsches Team konnte nun an BESSY II zum ersten Mal die Magnetisierungsdynamik im Inneren eines solchen Spin-Hall-Nano-Oszillators abbilden, sozusagen filmen. Dazu nutzten sie die zeitaufgelöste Röntgen-Rastertransmissionsmikroskopie am MAXYMUS-Instrument. Die Abbildungen zeigen Merkmale von Spinwellen, die in den bisherigen indirekten Messverfahren nicht sichtbar waren. Die Studie ist in „Advanced Materials“ veröffentlicht.
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