Funktionale Elektrokatalysatoren für erneuerbare Energie

Eine der größten Herausforderungen der heutigen Gesellschaft ist die sich anbahnende Energiekrise. Grüner Wasserstoff gewinnt als nachhaltiger Energieträger und als Rohstoff für die chemische Industrie weltweit an Bedeutung. Wasserstoff, der durch Elektrolyse mit erneuerbarem Strom hergestellt wird, ist für eine erfolgreiche Energiewende und die Erreichung der internationalen Klimaziele wesentlich. Ein weiterer Ansatz ist die Umwandlung von CO 2 und Wasser in nachhaltige Kraftstoffe. Um fossilfreien Wasserstoff effizient und kostengünstig zu erzeugen, müssen neue Elektrokatalysatoren entwickelt werden. Dabei handelt es sich um Materialien, die elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen (z. B. aus Sonnenlicht) nutzen, um diese Reaktionen zu beschleunigen und ihre Effizienz auf nachhaltige Weise zu steigern. Das interdisziplinäre Projekt MultiCat (Multifunktionelle Elektrokatalysatoren für saubere Energieumwandlung), an dem vier Gruppen aus Österreich, Polen und Slowenien beteiligt sind, widmet sich der Entwicklung von Elektrokatalysatoren der nächsten Generation für die effiziente Erzeugung von Wasserstoff und anderen solaren Brennstoffen aus Wasser und CO 2 . Wir werden Übergangsmetallphosphide (TMPs) und carbide (TMC) synthetisieren, um die derzeit verwendeten, aber teuren Edelmetall-Elektrokatalysatoren zu ersetzen. Darüber hinaus werden wir auch eine neue Art von Materialien vorstellen, nämlich metallorganische Gerüste (MOFs). Diese faszinierenden Materialen bestehen aus sehr kleinen molekularen Metall-Oxid-Clustern, die durch organische Moleküle verbunden sind und so poröse Strukturen mit den derzeit höchsten bekannten Oberflächen bilden. Wir gehen davon aus, dass kleine Reaktionsmoleküle, wie z. B. CO 2 , in diese kleinen Poren eindringen und mit den vielen Metalloxidclustern reagieren können, um die gewünschte elektrokatalytische Reaktion einzuleiten. Es wird von entscheidender Bedeutung sein, die Stabilität dieser Materialien in Wasser zu verbessern und ihre elektronische Leitfähigkeit zu optimieren, indem die Wechselwirkungen zwischen den organischen Liganden und den Metalloxidzentren aufeinander abgestimmt werden. Neben der Synthese dieser Materialien zielt das Projekt darauf ab, die zugrundeliegenden Reaktionsmechanismen zu entschlüsseln und die einzelnen Prozesse zu identifizieren, die ihre Geschwindigkeit und Effizienz begrenzen, um ihre Leistung als Elektrokatalysator zu verbessern. Hierfür werden wir eine Vielzahl theoretische und experimenteller Techniken einsetzen, um die chemische, katalytische und elektronische Natur der Materialien während (in-situ) und nach (ex-situ) den elektrokatalytischen Reaktionen zu untersuchen. Das Projekt vereint auf einzigartige Weise die komplementären Forschungskompetenzen der vier Partner, die dazu beitragen werden, die Wasserstofftechnologie und die umweltfreundliche elektrochemische Energieumwandlung bei niedrigen Temperaturen voranzubringen.

In unserer Forschung arbeiten wir mit besonderen Materialien, den sogenannten Metall-organischen Gerüstverbindungen (Metal-Organic Frameworks, MOFs). Man kann sie sich wie winzige Schwämme vorstellen, die aus Metallatomen und organischen Bausteinen aufgebaut sind. Sie sind voller extrem kleiner Hohlräume, sogenannter Poren, was sie sehr nützlich macht. Diese Poren können schädliche Stoffe aus Wasser aufnehmen, zum Beispiel Pestizide, und sie können wichtige chemische Reaktionen beschleunigen. Das ist besonders hilfreich für die Herstellung sauberer Energie. Ein wichtiger Einsatzbereich von MOFs in unserer Arbeit ist die Elektrokatalyse. Elektrokatalyse bedeutet, dass man Elektrizität und ein spezielles Material, den Katalysator, nutzt, damit chemische Reaktionen einfacher und mit weniger Energie ablaufen. Wir verwenden MOFs, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten - ein wichtiger Schritt zur Herstellung von sauberem Wasserstoff als Energieträger. Dabei gibt es zwei zentrale Reaktionen. HER (Hydrogen Evolution Reaction) ist die Reaktion, bei der Wasserstoffgas aus Wasser entsteht. Wasserstoff gilt als sauberer Brennstoff, weil er Energie liefern kann, ohne Umweltverschmutzung zu verursachen. OER (Oxygen Evolution Reaction) ist die Reaktion, bei der Sauerstoffgas aus Wasser entsteht. Sie läuft gleichzeitig mit der HER ab und ist notwendig für die vollständige Wasserspaltung. Die Herausforderung ist, dass MOFs zwar viele Poren besitzen, die meisten davon aber sehr klein und tief im Inneren des Materials verborgen sind. Größere Moleküle können diese wichtigen aktiven Bereiche nicht leicht erreichen, sodass ein großer Teil des Materials nicht effizient genutzt wird. Um dieses Problem zu lösen, gestalten wir MOFs auf intelligentere Weise neu. Zuerst entfernen wir gezielt einige der sogenannten Linker, also die Verbindungen, die das Gerüst zusammenhalten. Das geschieht kontrolliert, ohne das Material zu zerstören. Dadurch entstehen größere Kanäle im Inneren des MOFs. Statt nur winziger Poren besitzt das Material nun sowohl kleine als auch größere Poren. Das nennt man eine hierarchische Struktur, und sie erleichtert die Bewegung von Molekülen durch das Material. Zweitens wählen wir beim Aufbau des MOFs verschiedene Arten von Linkern aus. So können wir Größe, Form und Verbindung der Poren gezielt steuern. Dadurch lässt sich das Material für bestimmte Aufgaben anpassen, zum Beispiel zur Reinigung von verschmutztem Wasser oder zur Verbesserung von HER- und OER-Reaktionen. Ein weiterer spannender Teil unserer Arbeit ist, dass MOFs nicht fest bleiben - sie können sich während der Nutzung verbessern. Während Reaktionen, besonders in der Elektrokatalyse, kann sich ihre Oberfläche verändern und neue, stärkere aktive Zentren bilden. Zum Beispiel können HO-Zn-N-Stellen entstehen, die besonders effektiv für die Wasserstoffproduktion sind. Dadurch arbeiten unsere MOFs deutlich besser. Sie entfernen Schadstoffe wie Glyphosat schneller aus Wasser und verbessern gleichzeitig die Produktion sauberer Energie. Unsere Arbeit ist wichtig für die Wissenschaft, die Umwelt und die Menschen: für bessere Materialien, saubereres Wasser, nachhaltige Energie und eine sicherere Zukunft.