Einsatz intrinsisch instabiler Katalysatoren bei der Erzeugung und Nutzung chemischer Brennstoffe
Der weltweite Umstieg auf nachhaltige Energie erfordert die Entwicklung robuster, hochaktiver und skalierbarer Katalysatoren. Ein Katalysator ist eine Substanz, welche die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht, ohne selbst eine permanente chemische Veränderung zu erfahren. Als Beispiel sei hier die Herstellung von Wasserstoff genannt, einem CO2-freien Energieträger, der für Fahrzeuge oder zur Wärmeerzeugung verwendet werden kann. Im Elektrolyseur, der Wasserstoff aus Wasser und Strom erzeugt, und in den Brennstoffzellen, die Wasserstoff erneut in Strom umwandeln, werden üblicherweise Edelmetalle als Katalysator verwendet. Deren begrenztes Vorkommen sowie Probleme bei ihrer nachhaltigen Gewinnung haben sich jedoch als großes Hindernis für die breite Nutzung von Wasserstoff erwiesen. Leider bieten alternative Katalysatoren, die auf nachhaltigeren Metallen basieren, nicht die für diese Anwendungen erforderliche Stabilität. Folglich ist ein neuer Ansatz nötig, um offene Fragen rund um das Thema Katalysatoren zu beantworten – hier setzt das EU-finanzierte Projekt REDOX SHIELDS (Protection of Redox Catalysts for Cathodic Processes in Redox Matrices) an. „Die gängige Meinung ist es, dass die chemische Energieumwandlung einen stabilen Katalysator erfordert“, so Hauptforscher Nicolas Plumeré, Professor an der Technischen Universität München. „In diesem vom Europäischen Forschungsrat geförderten Projekt soll gezeigt werden, dass auch das Gegenteil der Fall ist, dass nämlich intrinsisch instabile Katalysatoren für die Erzeugung und Nutzung chemischer Brennstoffe eingesetzt werden können.“ Dazu hat Plumeré eine neuartige elektronenleitfähige Polymermatrix entwickelt, die selbst die instabilsten Katalysatoren schützt, wie zum Beispiel die Hydrogenase, einen Katalysator, der in der Natur der Wasserstofferzeugung oder -oxidation dient. Das innovative System wird bei der Wasserelektrolyse eingesetzt, der elektrochemischen Reaktion, bei der Wasser (H2O) in H2 und O2 umgewandelt wird. Dabei besteht die Herausforderung darin, dass das freigesetzte O2 die Hydrogenasen schädigen kann, wodurch diese im Wesentlichen schnell inaktiv werden. „Unser System geht dieses Problem an, indem es das freigesetzte H2 nutzt, um den Katalysator vor der deaktivierenden Wirkung des O2 zu schützen“, erklärt Plumeré. „Dieser Schutz ist auch in Brennstoffzellen wirksam, indem wir H2 aus der Brennstoffzufuhr nutzen.“
Mehrere bedeutende Erfolge
Mit dieser neuartigen Matrix konnte Plumeré mehrere wichtige Erfolge erzielen. Dazu gehört zum Beispiel der theoretische Nachweis, dass minimale Schutzmatrizen dem Katalysator einen quasi unbegrenzten Schutz bieten – selbst wenn es sich bei diesem Katalysator um die sehr instabile Hydrogenase handelt. „Damit eröffnet sich die Möglichkeit, die Hydrogenase theoretisch bis zu 20 000 Jahre lang vor Sauerstoff zu schützen“, merkt Plumeré an. „In der Praxis bedeutet dies, dass der Zerfall durch Sauerstoff vollständig verhindert werden kann, ohne dass die Katalysatorbeladung oder die katalytische Leistung beeinträchtigt wird.“ Anschließend zeigten die Forschenden, wie die Hydrogenase in der Umgebung von Luft genutzt werden kann, zum Beispiel in einer Brennstoffzelle zur Umwandlung von Wasserstoff in Strom. „Dieser Erfolg zeigte, dass Hydrogenasen das Potenzial haben, über eine Woche lang in Sauerstoff wirksam zu bleiben, während dieses Enzym in der Vergangenheit innerhalb weniger Minuten inaktiv wurde“, ergänzt Plumeré.
Eine konkurrenzfähige Alternative zu fossilen Brennstoffen
Laut Plumeré sind die Ergebnisse des Projekts direkt auf Geräte im Kontext der Biotechnologie und der Erzeugung von Solarkraftstoffen anwendbar. Das Projekt trägt somit dazu bei, die Quelle erneuerbarer Energien als konkurrenzfähige Alternative zu fossilen Brennstoffen zu etablieren. „Das Projekt REDOX SHIELDS hat erfolgreich gezeigt, dass die Instabilität von Katalysatoren deren Einsatz in Anwendungen nicht ausschließt“, so Plumeré zusammenfassend. „Daher bin ich überzeugt, dass unsere Ergebnisse einen großen Einfluss auf die Art und Weise haben werden, wie die Gemeinschaft im Bereich der chemischen Energieumwandlung neue molekulare und biologische Katalysatoren für die chemische Kraftstofferzeugung entwickelt.“
Schlüsselbegriffe
REDOX SHIELDS, Katalysatoren, chemische Brennstoffe, erneuerbare Energien, nachhaltige Energie, Wasserstoff, Brennstoffzellen, Hydrogenasen
