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An den enorm großen inneren Oberflächen von MXenen können sich katalytisch aktive Partikel anheften. Mit diesem raffinierten Trick lässt sich ein preiswerter und viel effizienterer Katalysator für die Sauerstoffentwicklungsreaktion realisieren, die bei der Erzeugung von grünem Wasserstoff bislang als Engpass gilt. Dies hat eine internationale Forschergruppe um die HZB-Chemikerin Michelle Browne nun in einer aufwendigen Untersuchung nachgewiesen. Die Studie ist in Advanced Functional Materials veröffentlicht.

Der südafrikanische Chemiker Denzil Moodley ist der erste Industrial Research Fellow am HZB. Er ist federführend am Projekt CARE-O-SENE beteiligt. Der Weg zu einem effizienten Katalysator für einen nachhaltigen Flugzeug-Treibstoff soll durch das Fellowship-Programm weiter beschleunigt werden. Im Interview berichtet er über das Projekt und darüber, warum es so entscheidend ist, dass Forschende aus Industrie und öffentlicher Forschung zusammen arbeiten.

An BESSY II steht nun ein neues Instrument zur Untersuchung von Katalysatormaterialien, Batterieelektroden und anderen Energiesystemen zur Verfügung: die Operando Absorption and Emission Spectroscopy on EMIL (OÆSE) Endstation im Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL). Ein Team um Raul Garcia-Diez und Marcus Bär hat die Leistungsfähigkeit des Instruments an elektrochemisch abgeschiedenem Kupfer demonstriert.

Clathrate zeichnen sich durch eine komplexe Käfigstruktur aus, die auch Platz für Gast-Ionen bietet. Nun hat ein Team erstmals untersucht, wie gut sich Clathrate als Katalysatoren für die elektrolytische Wasserstoffproduktion eignen. Das Ergebnis: Effizienz und Robustheit sind sogar besser als bei den aktuell genutzten Nickel-basierten Katalysatoren. Dafür fanden sie auch eine Begründung. Messungen an BESSY II zeigten, dass sich die Proben während der katalytischen Reaktion strukturell verändern: Aus der dreidimensionalen Käfigstruktur bilden sich ultradünne Nanoblätter, die maximalen Kontakt zu aktiven Katalysezentren ermöglichen. Die Studie ist in „Angewandte Chemie“ publiziert.

Anders als in der Schule gelernt, verändern sich manche Katalysatoren doch während der Reaktion: So zum Beispiel können bestimmte Elektrokatalysatoren ihre Struktur und Zusammensetzung während der Reaktion verändern, wenn ein elektrisches Feld anliegt. An der Berliner Röntgenquelle BESSY II gibt es mit dem Röntgenmikroskop TXM ein weltweit einzigartiges Instrument, um solche Veränderungen im Detail zu untersuchen. Die Ergebnisse helfen bei der Entwicklung von innovativen Katalysatoren für die unterschiedlichsten Anwendungen. Ein Beispiel wurde neulich in Nature Materials publiziert. Dabei ging es um die Synthese von Ammoniak aus Abfallnitraten.

Dr. Moses Alfred Oladele arbeitet in einem gemeinsamen Projekt mit der Gruppe von Dr. Matt Mayer, HZB, und Prof. Andreas Taubert, Universität Potsdam, an innovativen Photokatalysatoren zur Umwandlung von CO₂ mit Licht. Der Chemiker von der Redeemer‘s University in Nigeria, kam mit einem Georg-Forster-Forschungsstipendium der Alexander von Humboldt-Stiftung nach Berlin und wird zwei Jahre am HZB forschen.

Michelle Browne leitet am HZB eine Helmholtz-Nachwuchsgruppe zur Elektrokatalyse. Nun wurde sie von der Daimler und Benz-Stiftung als Stipendiatin ausgewählt. Sie erhält 40.000 Euro in den nächsten zwei Jahren und darüber hinaus Zugang zu einem exzellenten Forschenden-Netzwerk.

In einem kleinen Manganoxid-Cluster haben Teams von HZB und HU Berlin eine besonders spannende Verbindung entdeckt: Zwei Mangan-Zentren mit zwei stark unterschiedlichen Oxidationsstufen und hohem Spin. Dieser Komplex ist das einfachste Modell eines Katalysators, der als etwas größerer Cluster auch in der natürlichen Photosynthese vorkommt und dort die Bildung von molekularem Sauerstoff ermöglicht. Die Entdeckung gilt als wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem vollständigen Verständnis der Photosynthese.

Das HZB arbeitet mit dem südafrikanischen Unternehmen Sasol im Projekt CARE-O-SENE an nachhaltigem Kerosin für die Luftfahrt (SAF) und entwickelt dafür innovative Katalysatoren. Nun verstärkt sich die Zusammenarbeit: Mit Dr. Denzil Moodley kommt ein leitender Wissenschaftler aus dem Bereich Fischer-Tropsch bei Sasol Research and Technology an das HZB. Moodley wird am HZB seine Expertise einbringen, mit dem Ziel, den Innovationszyklus für nachhaltige Kraftstofftechnologien zu beschleunigen.

Eine neuartige Katalysatorplattform, bekannt als Laterally Condensed Catalysts (LCC), wurde entwickelt, um das Design und die Analyse der funktionalen Schnittstelle zu ermöglichen, die die aktive Phase mit ihrer Unterstützung verbindet. Diese Schnittstelle beeinflusst nicht nur die chemischen Eigenschaften der reaktiven Schnittstelle, sondern kontrolliert auch deren Stabilität und damit die Nachhaltigkeit der katalytischen Materialien. Die Entwicklung wurde wesentlich durch die Anwendung von operando-Spektroskopie am Synchrotron BESSY II unterstützt, die es ermöglichte, die dynamischen Prozesse und Strukturen unter Reaktionsbedingungen zu beobachten und zu verstehen.

Die Entwicklung effizienter Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklung (OER) ist entscheidend für den Fortschritt der Protonenaustauschmembran (PEM)-Wasserelektrolyse, wobei Iridium-basierte OER-Katalysatoren trotz der Herausforderungen im Zusammenhang mit ihrer Auflösung vielversprechend sind. Eine gemeinsame Forschung des Helmholtz-Zentrums Berlin und des Fritz-Haber-Instituts hat Einblicke in die Mechanismen der OER-Leistung und der Iridiumauflösung für amorphe hydrierte Iridiumoxide geliefert und das Verständnis dieses kritischen Prozesses vorangetrieben. Messungen an BESSY II haben dazu wesentliche Erkenntnisse geliefert.

Für die Produktion von Wasserstoff mit Elektrolyse werden Iridiumbasierte Katalysatoren benötigt. Nun zeigt ein Team am HZB und an der Lichtquelle ALBA, dass die neu entwickelten P2X-Katalysatoren, die mit nur einem Viertel des Iridiums auskommen, ebenso effizient und langzeitstabil sind wie die besten kommerziellen Katalysatoren. Messungen am EMIL-Labor an BESSY II haben nun ans Licht gebracht, wie die besondere chemische Umgebung im P2X-Kat während der Elektrolyse die Wasserspaltung befördert.

Einem Team aus Technischer Universität Berlin, Helmholtz-Zentrum Berlin, Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg (IMTEK) und Siemens Energy ist es gelungen, eine hocheffiziente alkalische Membran-Elektrolyse Zelle erstmals im Labormaßstab in Betrieb zu nehmen. Das Besondere: Der Anodenkatalysator besteht dabei aus preisgünstigen Nickelverbindungen und nicht aus begrenzt verfügbaren Edelmetallen. An BESSY II konnte das Team die katalytischen Prozesse durch operando Messungen im Detail darstellen, ein Theorie Team (USA, Singapur) lieferte eine konsistente molekulare Beschreibung. In Freiburg wurden mit einem neuen Beschichtungsverfahren Kleinzellen gebaut und im Betrieb getestet. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachjournal Nature Catalysis publiziert.

Die Materialklasse der MXene besitzt vielfältige Talente. Nun hat ein internationales Team um HZB-Chemikerin Michelle Browne gezeigt, dass MXene als Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion bei der elektrolytischen Wasserspaltung geeignet sind. Dabei arbeiten sie stabiler und effizienter als die derzeit besten Metalloxid-Katalysatoren. Das Team hat die neuartigen Katalysatoren für die elektrolytische Aufspaltung von Wasser nun umfassend an der Berliner Röntgenquelle BESSY II und am Synchrotron Soleil, Frankreich, charakterisiert.

Der Plan klingt bestechend: Neuartige Elektrolyseure sollen aus ungereinigtem Meerwasser mit Strom aus Sonne oder Wind direkt Wasserstoff erzeugen. Doch bei näherer Betrachtung zeigt sich, dass solche DSE-Elektrolyseure (DSE = Direct Seawater Electrolyzers) noch Jahre anspruchsvoller Forschung erfordern. Dabei sind neuartige Elektrolyseure gar nicht nötig, um Meerwasser für die Produktion von Wasserstoff zu verwenden – eine Entsalzung reicht aus, um Meerwasser für konventionelle Elektrolyseure aufzubereiten. In einem Kommentar im Fachjournal Joule vergleichen internationale Expert*innen Kosten und Nutzen der unterschiedlichen Ansätze und kommen zu einer klaren Empfehlung.