Katalyse für Energietechnologien
Dr. Henrik Junge
Eine der größten Herausforderungen dieses Jahrhunderts ist die ausreichende und nachhaltige Energieversorgung. Aus diesem Grund sind insbesondere Fortschritte in der Wasserstofftechnologie, wie z.B. die Wasserstofferzeugung aus geeigneten Rohstoffen, seine Speicherung und die Umwandlung in elektrische Energie von Interesse.
Die Erzeugung des sekundären Energieträgers Wasserstoff aus erneuerbaren Energien ist ein äußerst erstrebenswertes Ziel. In diesem Zusammenhang eröffnet insbesondere die Nutzung der im Überschuss verfügbaren Sonnenenergie ein großes Potential zur nicht fossil-basierten Wasserstoffproduktion. Seit der Entdeckung des Honda-Fujishima-Effektes 1972 hat die photokatalytische Wasserspaltung zu Wasserstoff und Sauerstoff Wissenschaftler auf der ganzen Welt inspiriert, neue, effiziente Photokatalystoren für diese Reaktion zu entwickeln.
Die direkte photokatalytische Erzeugung von Wasserstoff unter Nutzung des Sonnenlichts sowie deren erste Anwendung sind das Ziel des Projekts “Light2Hydrogen”, welches durch das BMBF im Rahmen des Programms “Spitzenforschung und Innovation in den neuen Ländern” gefördert wird. In diesem Projekt arbeiten wir mit sieben Partnerinstituten in Deutschland sowie mit führenden Forschungsgruppen der Schweiz, Italiens und Kanadas zusammen.
Als erstes Ergebnis zeigten wir vor Kurzem eine durch Licht angetriebene effiziente Wasser-Reduktions-Kaskade zur Reduktion von Protonen des Wassers zu Wasserstoff. Diese besteht aus einem Iridium Photosensitiser, Eisen(0)-Carbonylen als einfache, preiswerte sowie leicht zugängliche und verfügbare Katalysatoren und Triethylamin als Opferagens. Diese Kaskade gehört zu den aktivsten bislang bekannten Wasser-Reduktions-Katalysatorsystemen auf Eisenbasis.
Auch die Speicherung von Wasserstoff stellt eine Schlüsselfrage in der Wasserstofftechnologie dar. Kürzlich erlangte hier die Wasserstoffspeicherung in Form von Ameisensäure signifikante Beachtung, die unter Nutzung von Kohlendioxid erfolgt. Basierend auf der katalytischen Herstellung und Zersetzung von Ameisensäure wird so ein Kreislauf zur CO2-neutralen Wasserstoffspeicherung ermöglicht (Abbildung).
Damit stellt Ameisensäure ein sehr geeignetes Material für eine CO2-neutrale, flüssige Wasserstoffspeicherung dar, insbesondere für Anwendungen in mobilen elektrischen Geräten. Hier ist die Kopplung der Wasserstofferzeugung mit einer herkömmlichen PEMFC eine gute Alternative zur Direkt-Methanolbrennstoffzelle.
Mit unseren entwickelten Ruthenium-Phosphan-Katalysatoren wird Wasserstoff stabil und mit hoher Geschwindigkeit sogar schon bei Raumtemperatur aus Ameisensäure hergestellt. Umsatzzahlen von mehr als 260.000 wurden in einem kontinuierlichen Versuchsaufbau erzielt. Der erzeugte Wasserstoff (1:1 Mischung mit CO2) erfüllt schon jetzt die Anforderungen für einen direkten Einsatz in Brennstoffzellen (<10 ppm CO). Grundsätzlich ist es sogar möglich, Ruthenium durch preiswertere Nichtedelmetalle zu ersetzen.
Neben den oben erwähnten Themen sind weitere Ziele unserer Arbeit die Entwicklung aktiver Katalysatoren für die Erzeugung von Wasserstoff aus Alkoholen unter milden Bedingungen sowie von Brennstoffzellenkatalysatoren ohne bzw. mit einem verringerten Edelmetallgehalt.
Für unsere Untersuchungen verfügen wir über eine leistungsfähige instrumentelle sowie analytische Ausrüstung.
