Neuer Katalysator: Effizienzsteigerung durch Synergie

Einem Team des Forschungszentrums Jülich und der RWTH Aachen ist es gelungen, einen Katalysator-Ansatz zu etablieren, der bisherige Grenzen bei Aktivität und Stabilität deutlich verschiebt. Grundlage ihrer Entwicklung ist das Edelmetall Iridium, das sie gezielt so einsetzten, dass es im Labormaßstab eine fünfmal höhere katalytische Leistungsfähigkeit gegenüber bekannten Systemen erreichte. Besonders bemerkenswert ist, dass sie mit einer über mehrere Tage anhaltenden Stabilität einhergeht – eine Kombination, die bis dato als nur schwer vereinbar galt. Die neu erzielten Resultate versprechen, die Knappheit und die hohen Kosten von Iridium künftig besser auszugleichen und damit grünen Wasserstoff als Speicherung der Energie zukunftsfit zu machen.

Katalysatoren als Schlüssel für Wasserstoff

Die Bedeutung eines effizienten Katalysators zeigt sich vor allem angesichts der Rolle von Wasserstoff als Energieträger im künftigen Energiesystem. Um klimaneutralen Wasserstoff transportieren und speichern zu können, sind geeignete Trägerverbindungen gefragt, in die sich das Gas einbinden lässt. Ebenso wichtig ist die Möglichkeit, ihn bei Bedarf wieder freizusetzen. Moleküle wie Ammoniak, Methanol oder Ameisensäure dienen als Wasserstoff-Träger, ein gut zugeschnittener Katalysator ermöglicht sowohl seine Bindung als auch Freisetzung.

Die Kunst besteht darin, unter allen verfügbaren Katalysator-Typen denjenigen zu wählen oder zu konstruieren, der hohen Ansprüchen an Effizienz und Praxistauglichkeit gerecht wird. Während sogenannte heterogene Katalysatoren als Feststoffe chemische Prozesse vereinfachen, bieten homogene Katalysatoren die Chance auf größere Aktivität und Kontrolle. Die Stärken und speziellen Eigenschaften der beiden Techniken konnten bislang schwer vereint werden.

Synergien durch den neuen Katalysator-Ansatz

Das zentrale Novum des Jülicher-Aachener Ansatzes liegt in der konsequenten Verknüpfung von homogener und heterogener Katalyse. Bei der homogenen Katalyse befinden sich sowohl Katalysator als auch Reaktanden im selben Aggregatzustand, etwa flüssig oder gasförmig. Dies begünstigt selektive Reaktionen. Dagegen zeichnet sich die heterogene Variante durch eine leichtere Trennung von Katalysator und Produkten aus, was die Kosten verringert. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vereinten beides durch die Einbettung von Iridium in eine polymerbasierte Struktur.

Die Innovation besteht nun darin, die Vorteile beider Welten auf einen Katalysator zu übertragen: Mit dem entwickelten Polymer, das die Terpyridin-Struktur enthält, sind die Iridium-Ionen fest eingebunden. Auf diese Weise fungiert jeder Iridium-Atomplatz als hochaktives Zentrum. Diese Lösung kombiniert hervorragende katalytische Wirkung mit hoher praktischer Abtrennbarkeit und ebnet so den Weg zu nachhaltigen Anwendungen.

Katalysator-Effizienz und Wirtschaftlichkeit im Fokus

Das ausgewählte Bindemolekül Terpyridin hält das Iridium dauerhaft fest und sorgt so für Stabilität und Wiederverwendbarkeit. Dadurch lässt sich das Iridium nach der Reaktion rasch und einfach zurückgewinnen. Diese Eigenschaft ist besonders im Hinblick auf den extrem hohen Preis von Iridium eine zentrale Stärke des neuen Systems. Die Möglichkeit, das Katalysatormaterial mehrfach zu nutzen und ressourcenschonend einzusetzen, ist ein wichtiger Schritt für die Wirtschaftlichkeit der Technologie.

Neben der großen Aktivität des neuen Katalysators konnte das Team dessen Einsatzfähigkeit auch über mehrere Tage nachweisen. Langfristige Stabilität und hohe Effektivität waren bislang selten gemeinsam zu erzielen. Nach der Vorstellung der Forschenden könnte diese Innovation dazu beitragen, grünen Wasserstoff gezielter verfügbar und wirtschaftlicher zu machen – ein entscheidender Impuls für die Energiewende.

Nächste Entwicklungsschritte für den Katalysator

Mit dem jetzigen Stand sind die Möglichkeiten jedoch längst nicht ausgeschöpft. Ein wichtiger nächster Schritt ist die Skalierung des Reaktors vom Labormaßstab hin zu größeren, praxistauglichen Anwendungen. Außerdem gibt es Überlegungen, das teure Iridium durch günstigere, aber ebenfalls effektive Metalle zu ersetzen. Wasserstoffspeicher-Moleküle könnten hinzukommen, um die Flexibilität und Alltagstauglichkeit des Katalysators weiter zu steigern.

Katalysator als Motor für grüne Technologien

Erste Versuche, Wasserstoff mithilfe des neu entwickelten Iridium-Katalysators aus Ameisensäure zu gewinnen, verliefen sehr erfolgreich. Nach Ansicht der beteiligten Forschenden eröffnet der neuartige Katalysator ein bislang nicht mögliches Einsparpotenzial für kritische Rohstoffe und stärkt auf diese Weise die Einsatzmöglichkeiten für grünen Wasserstoff als Schlüsselbestandteil einer klimafreundlichen Energiezukunft. Die Arbeit der Teams von Jülich und Aachen erscheint im Fachjournal EES Catalysis.