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.