Leistungsfähig und haltbar sollen Katalysatoren sein. Um sie zu finden, gehen vier Teams systematisch gemeinsam mit neuen Konzepten auf die Suche. Dabei werden sie von der EU mit 10 Millionen Euro gefördert.

Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft. Für seine Herstellung müssen Reaktionen katalysiert werden, die teils unter extremen Bedingungen stattfinden. Bisherige Elektrokatalysatoren halten das meist nicht lange aus – neue Materialien werden benötigt, die sowohl leistungsstark als auch langlebig sind, und idealerweise keine teuren und knappen Elemente enthalten. Mit einem neuen Ansatz macht sich ein dänisch-deutsch-schweizerisches Forschungskonsortium systematisch im Projekt „Directed Evolution of Metastable Electrocatalyst Interfaces for Energy Conversion”, kurz DEMI, auf die Suche. DEMI wird für die kommenden sechs Jahre mit rund 10 Millionen Euro im Rahmen eines Synergy Grants vom Europäischen Forschungsrat ERC gefördert, der höchsten Auszeichnung für Forschende in der EU.

Die Stecknadel im Heuhaufen
Besonders vielversprechend als Elektrokatalysatoren sind Materialien, die aus fünf oder mehr Elementen bestehen. Die Forschenden suchen damit praktisch die Stecknadel im Heuhaufen, denn es gibt eine schier unendliche Zahl möglicher Verbindungen. Um darin gezielt auf die Suche gehen zu können, bündeln die Wissenschaftler Prof. Dr. Jan Rossmeisl von der Universität Kopenhagen (Dänemark), Prof. Dr. Alfred Ludwig von der Ruhr-Universität Bochum, Prof. Dr. Karl Mayrhofer vom Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg/Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und Prof. Dr. Matthias Arenz von der Universität Bern (Schweiz) ihre Expertise.

Die Kopenhagener Forschenden berechnen aussichtsreiche Materialkombinationen basierend auf theoretischer Elektrochemie und Simulationen. Dabei verfolgen sie ein evolutionäres Prinzip, indem sie an erfolgversprechenden Kombinationen kleine Veränderungen machen und prüfen, ob diese sich positiv oder negativ auswirken. So folgen sie dem Pfad zum immer besseren Material. Das Bochumer Team führt unter anderem ein evolutionäres Screening mit neuartigen Mikromaterialbibliotheken durch. Tausende Materialien, die gleichzeitig hergestellt werden, werden im Anschluss extremen elektrochemischen Bedingungen ausgesetzt, um somit sehr schnell die überlebensfähigen zu identifizieren. Auf dieser Basis werden weitere Materialbibliotheken hergestellt, die die Erlanger Forschenden im Hochdurchsatz auf ihre elektrochemische Leistungsfähigkeit hin untersuchen. Das Berner Team stellt dann aus den besten Materialkombinationen Katalysatoren in Form von Nanopartikeln her, die in die Anwendung überführt werden könnten.