Katalyse

Katalyseforschung mit Synchrotronstrahlung


 
© Dr. Ziliang Chen/HZB

Hochzeitsvermittler

Unzählige Produkte unseres täglichen Lebens werden durch chemische Reaktionen hergestellt, zum Beispiel Medikamente, Kosmetika, Düngemittel und Kunststoffe. Die dafür nötigen Reaktionen laufen nicht von alleine effzient ab, sondern sie brauchen dafür Unterstützung. Für diesen Zweck nutzt man Stoffe, die die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflussen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden - sie wirken wie ein "Heiratsvermittler", der sich wieder diskret zurückzieht, nachdem er die beiden Partner für die "Ehe" zusammengeführt hat. Solche Katalysatoren helfen in allen Bereichen Energie zu sparen, aber sie ermöglichen auch Reaktionen, die wir direkt für die Energiewende brauchen.

Umwandlung von erneuerbaren Energien

Für die Energiewende ist die Zwischenspeicherung von Energie entscheidend, da Strom aus Wind und Sonne nicht kontinuierlich erzeugt werden kann. Batterien benötigen große Menge an Rohstoffen, wie z.B. Lithium und Cobalt, daher bietet sich für viele Anwendungen die Zwischenspeicherung in elektrokatalytisch erzeugtem grünen Wasserstoff an, für dessen Herstellung nur Wasser benötigt wird. Außerdem kann mit katalytischen Prozessen CO2 gebunden und zu wichtigen Rohstoffen umgewandelt werden.

Forschungsziele

Katalysatoren, die in für die Energiewende wichtigen Prozessen benutzt werden, sind oft noch instabil und teuer. Häufig ist auch die Energieeffizienz der Prozesse noch zu niedrig, um als sinnvolle Lösung zu dienen. Hier hilft die Synchrotronstrahlung, eine extrem intensive Strahlung bis in den Röntgenbereich, mit der man Prozesse an der Katalysatoroberfläche während des Betriebs mit atomarer Auflösung beobachten kann. Die dadurch erhaltenen Ergebnisse helfen dann zum Beispiel zu verstehen, weshalb sich ein Katalysator während der Reaktion abnutzt und wie dies mit neuen Materialien verhindert werden kann.

Katalytische Reaktionen

Für die Energiewende wichtige katalytische Prozesse sind z. B. die elektrochemische Elektrolyse von Wasserstoff und verschiedene Power-to-X-Verfahren. Bei der Wasserstoffelektrolyse wird Strom (vorzugsweise aus erneuerbaren Energien) verwendet, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Der Wasserstoff kann dann gespeichert und später in Brennstoffzellen wieder zu Strom zurückgewandelt werden. In Power-to-X Prozessen kann der hier erzeugte Wasserstoff auch noch mit dem Klimagas CO2 weiterreagiert werden. Dabei entstehen verschiedenste Produkte für die chemische Industrie, Elektro-Kraftstoffe, mit denen Verbrennermotoren klimaneutral weiterbetrieben werden können.

Katalyseforschung mit Synchrotronstrahlung

Synchrotronstrahlungsquellen sind Großforschungsanlagen wie Speicherringen oder Freie-Elektronen-Lasern, in denen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigte geladene Teilchen Photonen, intensives Licht (Synchrotronstrahlung) aussenden.

Die Messlinie „CatAct“ am KIT-Synchrotron erlaubt seit 2018 die Kombination von katalytischen Reaktionen zur Herstellung von Wasserstoff bzw. zur CO2-Reduktion mit operando Röntgenabsorptions-Spektroskopie. Highlight war zum Beispiel die Herstellung von synthetischen Kraftstoffen bei 30 bar oder die CO2-Methanisierung unter dynamischen Bedinungen. So schlägt die CatAct-Messlinie schon heute die Brücke zur Industrie. Diesem Ziel soll auch die neue Forschungsplattform für die Katalyse "CatLab" in Berlin-Adlershof dienen, welche das HZB und die MPG gemeinsam seit Dezember 2020 aufbauen und betreiben. Hier sollen chemische Umwandlungsprozesse basierend auf neuartigen maßgeschneiderten (Chemo-, Elektro- und Photo-) Katalysatoren im industriellen Maßstab entwickelt werden.

Grundlagenforschung zur Katalyse ist derzeit z. B. gebündelt im Schwerpunktprogramm SPP2080 "Katalysatoren und Reaktoren unter dynamischen Betriebsbedingungen für die Energiespeicherung und -wandlung", in dem unter anderem daran geforscht wird, Katalysatoren in Ruhephasen zu reaktivieren und die Ausbeute der erwünschten Reaktionsprodukte zu erhöhen. Viele Gruppen des SPP2080 nutzen Synchrotronstrahlung, ebenso wie im DFG-Sonderforschungsbereich „TrackAct – Verfolgung der aktiven Zentren in heterogenen Katalysatoren für die Emissionskontrolle" des KIT.

„Die chemische Industrie nutzt heute noch fast vollständig fossile Rohstoffe für die Herstellung der chemischen Produkte. Dies auf erneuerbare umzustellen, ist eine große Herausforderung. Synchrotronstrahlung ist dafür ein einzigartiger Schlüssel, denn sie erlaubt zu beobachten, wie die dafür benötigten Katalysatoren arbeiten – „operando“ im Fachjargon genannt. Nur so können Materialien zielgerichtet und effizient entwickelt werden und eine Grundlage für Computer-gestütztes Design schaffen“, sagt Prof. Jan-Dierk Grunwaldt, KFS-Vorsitzender und selbst als Forscher am KIT in der Wandlung von Wind- und Solarenergie bzw. Biomasse zu chemischen Produkten engagiert.

Beispiele aus der Forschung

Um Katalysatoren maßgeschneidert für die gewünschte Anwendung zu optimieren, muss man ihre Eigenschaften kennen und deren Funktion verstehen. Außerdem geht es nicht nur um Effizienz, sondern auch um Kostenersparnis, Nachhaltigkeit und Stabilität. In dem am weitesten verbreiteteten Elektrolysetyp, der PEM-Elektrolyse, wird zum Beispiel das sehr seltene und teure Metall Iridium verwendet, das bis zu 40-mal so viel wie Gold kostet. In den letzten Jahren ist es gelungen, den Iridiumanteil signifikant zu senken. Im folgenden sind Beispiele aufgelistet, die zeigen, welche Einblicke Synchrotronstrahlung bietet und wie diese helfen, die Katalyse zu verbessern.

Live view into catalyst materials, DESY / KIT, 06.04.2022

Molekül-Schnappschuss durch Explosion, European XFEL / DESY, Univ. Frankfurt et al., 21.02.2022

Innovative Katalysatoren: Ein Überblicksbeitrag, HZB / TU Berlin, 15.02.2022

Wundermittel Wasserstoff? DESY (femto), November 2021

Einzigartiger Blick auf einzelnes Katalysator-Nanopartikel bei der Arbeit, DESY / ESRF, KIT, 01.10.2021

Grüner Wasserstoff: Katalysatorenoberfläche im Blick, KIT / HI-ERN, 17.08.2021

Zinkoxid: Schlüsselkomponente für die Methanol-Synthese über Kupferkatalysatoren, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, 04.03.2021

Dreidimensionaler Blick in aktive Katalysatoren, KIT / PSI, European XFEL et al., 15.12.2020

Salzsäure bringt Katalysatoren auf Trab, DESY / TU München, 07.09.2020

Maßgeschneiderte Katalysatoren für Power-to-X, KIT / IMVT, IKFT, 02.07.2020

Katalysatoren: Effiziente Wasserstoffgewinnung mit Struktur, HZB, 02.06.2020