Die globale Verbreitung von Wasserstoff als grüner Energieträger hängt von der Verfügbarkeit aktiver, edelmetallarmer Katalysatoren ab. Ein skalier- und automatisierbares Laserverfahren erlaubt nun das schnelle und einfache Design dieser Materialien.

Die eklatanten Probleme von fossilen Rohstoffen als Energieträger äußern sich zunehmend in den Folgen des Klimawandels, geschädigten Ökosystemen und politischen Konflikten. Als Reaktion gewann die Energiewende weltweite Bedeutung. Ihr langfristiges Ziel ist die flächendeckende Etablierung eines Energiemix mit hohem Anteil erneuerbarer Energiequellen. Die Saisonalität dieser Quellen macht die Energiespeicherung zum Erfolgskriterium der Energiewende. Während Batterien bereits umfassend implementiert sind, schreitet die Verbreitung von Wasserstoff als chemischer Energieträger/-speicher trotz hoher Energiedichte und Relevanz für Chemie-/Stahlindustrie nur schleppend voran. Besonders die Abhängigkeit der Wasserstofftechnologie von kostenintensiven Katalysatoren wie Platin oder Iridium und der hohe Preis von Wasserstoff bremst dessen wirtschaftliche Implementierung. Alkalisch betriebene Elektrolyseure mit günstigen Katalysatoren auf Basis von Nickel, Cobalt und Eisen haben bereits eine begrenzte industrielle Bedeutung erlangt. Jedoch wird durch die limitierte Ionenleitfähigkeit alkalischer Elektrolytmembranen nur ein Bruchteil der Stromdichte (also Wasserstoffproduktivität pro Oberfläche) des sauren Pendants erreicht und verlangt die nachträgliche Wasserstoffverdichtung. Die saure Elektrolyse mit protonenleitenden Membranen erzielt hingegen bis zu 10-mal höhere Stromdichten benötigt aber das etwa 3-4 Größenordnungen teurere Iridium als Katalysator. Ein adäquater Ersatz (über Ruthenium hinaus) ist weiterhin Gegenstand der Forschung. Entsprechend groß ist der Druck aktivere und kostengünstigere Katalysatoren zu entwickeln, um zukünftig die Erzeugungskosten des Wasserstoffs zu minimieren.

Die Mischung mehrerer Nebengruppenelemente in Form einer Legierung oder eines Mischoxids wird als vielversprechender Ansatz postuliert und erreicht mit den sogenannten Hochentropiematerialien einen Höhepunkt. Die meist aus mindestens fünf (oder mehr) Elementen bestehenden Materialien kommen bei vergleichbarer Aktivität mit stark reduziertem Edelmetallanteil aus, müssen jedoch wie auch die etablierten Katalysatoren zur Maximierung der Oberfläche als Nanopartikel vorliegen. Mit etablierten chemischen Bottom-Up-Synthesen sind solche Materialien bisher jedoch maximal in speziellen Zusammensetzungen darstellbar. Erforderliche hohe Temperaturen setzen sterische Stabilisatoren voraus, um Partikelwachstum und Verlust der Aktivität zu vermeiden, stören jedoch die Abscheidung der Partikel auf dem Katalysatorträger. Modifizierte Imprägnierungsansätze wenden kurze thermische Pulse an, sind jedoch auf spezielle Trägermaterialien beschränkt. Physikalische Top-Down-Methoden wie das Mahlen starten mit einfach herstellbaren makroskopischen Legierungen oder Mischoxiden, dringen aber nicht in den für die Katalyse relevanten Nanomaßstab vor. Die laserbasierte „Mahlung“ bzw. pulsweise Materialverdampfung unter Einsatz von gepulstem Laserlicht bietet nun den Ausweg.

Mit der gepulsten Laserablation und -prozessierung makroskopischer Legierungen in Wasser oder wählbaren organischen Flüssigkeiten existiert nun eine Methode, Legierungsnanopartikel mit nahezu beliebiger Zusammensetzung zu synthetisieren und kontrolliert auf gewünschten Trägermaterialien zu fixieren. Dabei verdampfen kurze Laserpulse die Oberfläche des makroskopischen Eduktmaterials hinein in die gewählte Flüssigkeit. Das Material kondensiert mit rapider Abkühlrate zu kleinen Nanopartikeln unter Erhalt der Zusammensetzung. Die Partikel werden als kolloidale Dispersion gewonnen. Durch elektrostatische Ladungen auf der Nanopartikeloberfläche sind die Nanopartikel über Wochen bis Jahre lagerstabil. Die Abscheidung auf den Trägermaterialien erfolgt durch einfache Mischung unter Modifikation der elektrostatischen Anziehung zwischen Träger- und den lasergenerierten Legierungsnanopartikeln, z.B. durch pH-Einstellung. Die Massenbeladung der Nanopartikel ist über das Mischverhältnis zum Träger kontrolliert. Die Partikelgröße und Zusammensetzung der Nanopartikel bleiben während der Adsorption auf dem Träger erhalten. Diese laserbasierte Synthesestrategie erlaubt somit ein vielfältiges, dynamischen und skalierbares Katalysatordesign.

Aktuell steht die innovative laserbasierte Katalysatorherstellung nur einigen Forschergruppen und weniger als einer Handvoll kleiner Unternehmen zur Verfügung. Auf den ersten Blick erscheint die Notwendigkeit eines Hochleistungslasers als offensichtlichste Hürde. Jedoch zeigten Anwendungsstudien bereits, dass selbst kostengünstige gepulste Laser mit wenigen Watt Laserleistung für einen Betrieb ausreichend sind. Vielmehr kristallisierten sich das fehlende Knowhow zur Umsetzung eines kontinuierlichen Dauerbetriebs und die Systemintegrierung als fundamentaler Engpass heraus.

Die Ausgründung nextract soll dieses Anforderungsprofil ausfüllen und der Wissenschaft und Industrie einen einfachen, sicheren und wirtschaftlichen Zugang zu dem Verfahren in vollautomatisierten Anlagen unterschiedlicher Skalierungsstufen bieten. Durch die selbsterklärende Bedienung und hohe Zuverlässigkeit lassen sich die Anlagen schnell in Betrieb nehmen und in der Katalysatorforschung, -entwicklung und -produktion einsetzen. Das Laborgerät hat kürzlich nach einigen Pilottests die technologische Marktreife erreicht. Die Industrieanlage befindet sich aktuell in der Konzipierung.

Für eine globale Wasserstoffwirtschaft fehlen gut verfügbare Katalysatormaterialien. Unser innovatives Verfahren der Laserablation bietet schnellen Zugang zu Multielementkatalysatoren zur Lösung des Problems. Vollautomatisierte Anlagen erlauben die schnelle Adaption des Verfahrens und ebnen somit den Weg für eine globale Wasserstoffwirtschaft. Darüber hinaus können die Anlagen auch heterogene Katalysatoren für andere Anwendungen generieren. Sie kommen in 70% aller chemischen Prozesse zum Einsatz.

Autoren: Dr. Sven Reichenberger und Dr. Friedrich Waag

Technische Chemie I und Center for Nanointegration Duisburg-Essen (CENIDE), Universität Duisburg-Essen

Photonische Basistechnologie

• Laser
• Optik
• Sensorik

Anwendungsfelder / Märkte

• Heterogene Katalyse
• Wasserstoff
• Power-to-X
• Kohlendioxidrecycling
• Grüne Chemie
• Nanomaterialien

Impact

• Innovative Katalysatoren
• Ressourcenschonung
• Nachhaltigere Produktion

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Abbildung 1: Katalysatorentwicklung mit vollintegriertem und -automatisiertem Laserablationsverfahren: Der Laborvollautomat produziert von jedem beliebigen Feststoff Nanopartikel in flüssiger Umgebung. Die Partikel sind sehr klein und verfügen über hochreine Oberflächen, was ihnen eine hohe katalytische Aktivität verschafft. Sie lassen sich einfach auf verschiedenen Trägermaterialien abscheiden, sodass man nach Sedimentation einen vollwertigen, heterogenen Katalysator erhält. (© Sven Reichenberger und Friedrich Waag, Universität Duisburg-Essen)