Katalyse für Energietechnologien

Dr. Henrik Junge

Mit der zunehmenden Nutzung erneuerbarer Energien wie Sonnenlicht und Windkraft  in Deutschland wird eine effiziente Speicherung dieser fluktuierend auftretenden Energieformen immer wichtiger. Für derart große Energiemengen von 4,5 bis 40 TWh bereits im Jahr 2020 kommt als (Langzeit-)Speicherform einzig die chemische Energiespeicherung als Wasserstoff, Methan oder auch in flüssigen Stoffen in Frage. Aus diesem Grund sind insbesondere Technologien zur Wasserstofferzeugung aus erneuerbaren Quellen, zur H2-Speicherung und zu dessen Rückwandlung in elektrische Energie notwendig. Die Aktivitäten der Gruppe „Katalyse für Energietechnologien“ sind auf die Entwicklung entsprechender Katalysatoren für diese Technologien gerichtet. Die einzelnen Themen umfassen konkret: 

Ziel unserer Arbeiten ist die Erzeugung von Wasserstoff aus Substraten wie z.B. Methanol, Bioethanol, Glycerin, Glucose und Cellulose mit hoher Selektivität sowie insbesondere unter milden Bedingungen. Dabei soll die Bildung von Kohlenmonoxid, einem Brennstoffzellenkatalysatorgift, unterdrückt werden. Neben Wasserstoff entstehen weitere Wertstoffe wie z.B. Essigsäure, Essigsäureethylester, Propandiol, Aceton oder Milchsäure.

Ref.:

  •  M. Nielsen, E. Alberico, W. Baumann, H.-J. Drexler, H. Junge, S. Gladiali, M. Beller, Nature 2013; 495, 85-90; Low-temperature aqueous-phase methanol dehydrogenation to hydrogen and carbon dioxide. 
  • P. Sponholz, D. Mellmann, C. Cordes, P. G. Alsabeh, B. Li,Y. Li, M. Nielsen, H. Junge, P. Dixneuf, M. Beller, ChemSusChem, 2014, 7, 2419-2422; Efficient and Selective Hydrogen Generation from Bioethanol using Ruthenium Pincer-type Complexes.
  • Y. Li, P. Sponholz, M. Nielsen, H. Junge, M. Beller, ChemSusChem, 2015, 8, 804-808; Iridium-catalyzed Hydrogen Production from Monosaccharides, Disaccharide, Cellulose and Lignocellulose.

Die direkte photokatalytische Erzeugung von Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Ameisensäure und weiteren Produkten unter Nutzung des reichlich verfügbaren Sonnenlichts sind das Ziel verschiedener Projekte. Ein besonderer Fokus liegt hier in der Entwicklung edelmetallfreier und ausreichend verfügbarer Katalysatormaterialien.

 

Ref.:

  • F. Gärtner, B. Sundararaju, A.-E. Surkus, A. Boddien, B. Loges, H. Junge, P. H. Dixneuf, M. Beller, Angew. Chem. 2009, 121, 10147-10150, Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 9962-9965; Light driven Hydrogen Generation: Efficient Iron-based Water Reduction Catalysts.
  • S.-P. Luo, E. Mejía, A. Friedrich, A. Pazidis, H. Junge, A.-E. Surkus, R. Jackstell, S. Denurra, S. Gladiali, S. Lochbrunner, M. Beller, Angew. Chem. 2013, 125, 437-441, Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 419 –423; Photocatalytic Water Reduction with Copper-based Photosensitizers: A Noble-Metal-Free System.
  • A. Rosas, H. Junge, M. Beller, ChemCatChem 2015, 7, 3316-3321; Photochemical reduction of carbon dioxide to formic acid using Ru(II)-based catalysts and visible light.
Abb. CO2-neutraler Wasserstoffspeicherkreislauf

Die Speicherung von Wasserstoff stellt eine Schlüsselfrage in der Wasserstofftechnologie dar. Ein großes Potential beinhalten Technologien, die unter Nutzung von Kohlendioxid erfolgen. Z.B. wird basierend auf der katalytischen Herstellung und Zersetzung von Ameisensäure ein Kreislauf zur CO2-neutralen Wasserstoffspeicherung ermöglicht. Ein analoger Kreislauf ist auch für Methanol denkbar. In beiden Fällen wird die hohe volumetrische Energiedichte der Flüssigkeiten im Vergleich zu der des Wasserstoffs ausgenutzt. 

Abb. Am LIKAT konzipierte Anlage zur kontinuierlichen Wasserstofferzeugung (bis zu 47 L H2/h) aus Ameisensäure

Ref.:

  • A. Boddien, D. Mellmann, F. Gärtner, R.Jackstell, H. Junge, P. J. Dyson, G. Laurenczy, R.Ludwig, M. Beller, Science, 2011, 333, 1733-1736; Efficient Dehydrogenation of Formic Acid using an Iron Catalyst.
  • A. Boddien, C. Federsel, P. Sponholz, D. Mellmann, R. Jackstell, H. Junge, G. Laurenczy, M. Beller, Energy & Environmental Science 2012, 5, 8907-8911; Towards the Development of a Hydrogen Battery.
  • P. Sponholz, D. Mellmann, H. Junge, M. Beller, ChemSusChem 2013, 6, 1172-1176; Towards a practical Setup for hydrogen production from formic acid.

Auch in diesem Teilgebiet liegt der Schwerpunkt in der Entwicklung edelmetallfreier und ausreichend verfügbarer Katalysatormaterialien als Ersatz z.B. für teure Platin und Iridiumverbindungen in Brennstoffzellen und Elektrolysen. Dabei werden Konzepte der homogenen Katalyse in die heterogene Katalyse übernommen und mit den Vorteilen der heterogenen Katalyse kombiniert.

 

 

Core-Shell-Nanopartikel auf Kohlepulver
Brennstoffzelle mit LIKAT-Katalysator

Ref.:

  • R. V. Jagadeesh, A.-E. Surkus, H. Junge, M.-M. Pohl, J. Radnik, J. Rabeah, H. Huan, V. Schünemann, A. Brückner, M. Beller, Science, 2013, 342, 1073-1076; Nanoscale Fe2O3-based Catalysts for Selective Hydrogenation of Nitroarenes to Anilines.
  • R. V. Jagadeesh, T. Stemmler, A.-E. Surkus, M. Bauer, M.-M. Pohl, J. Radnik, K. Junge, H. Junge, K. Junge, A. Brückner, M. Beller, Nat. Prot. 2015, 10, 916–926; Cobalt-based nanocatalysts for green oxidation and hydrogenation processes.

Auf den oben genannten Gebieten wurden und werden verschiedene Projekte bearbeitet, gefördert durch die Europäische Union, die DFG, das Bundesministerium für Bildung und Forschung (z.B. “Light2Hydrogen”, im Rahmen des Programms “Spitzenforschung und Innovation in den neuen Ländern”), die AIF sowie das Wirtschaftsministerium des Landes Mecklenburg-Vorpommern. Unsere Gruppe arbeitet dabei mit namhaften deutschen und internationalen akademischen Partnern sowie Industrieunternehmen zusammen. Zudem verfügen wir über eine leistungsfähige apparative sowie analytische Ausrüstung.