Mit feinen Bläschen zu effizienteren Katalysatoren

Katalysatoren sind von größter Bedeutung für die Herstellung von Chemikalien und die Energie­speicherung mit Wasserstoff. Forschende des Helmholtz-Institutes Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN), einer Außenstelle des Forschungs­zentrums Jülich, und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) haben nun heraus­gefunden, dass die Bildung von Blasen in den Poren eines Katalysators sehr wesentlich für dessen Aktivität sein kann. Die Erkenntnisse helfen, Katalysator­materialien für Reaktionen zu optimieren, bei denen aus Flüssigkeiten Gase entstehen und die für eine künftige grüne Wasserstoff­wirtschaft eine zentrale Rolle spielen.

Katalysatoren werden bei etwa achtzig Prozent aller chemischen Produktions­verfahren eingesetzt und spielen auch bei Techno­logien zur chemischen Speicherung von Wasserstoff eine wichtige Rolle. In den meisten Fällen handelt es sich um heterogene Katalysatoren, die in einem anderen Aggregat­zustand als die eigentlichen Reaktions­partner vorliegen. Besonders wichtig sind hier feste, poröse Katalysatoren, da diese sehr gut von flüssigen oder gasförmigen Reaktions­produkten abgetrennt werden können. Die Forschenden haben nun herausgefunden: Die Produktivität von Katalysatoren für Gaserzeugungs­reaktionen lässt sich noch deutlich steigern, wenn sich in den Katalysator­poren besonders leicht Gasblasen bilden. 

„Dieser zusätzliche Faktor, der die Reaktions­geschwindigkeit maßgeblich bestimmt, war bislang unbekannt. Bislang ging man davon aus, dass die Geschwindigkeit nur von der chemischen Oberflächenreaktion oder vom Transport der Moleküle zu den aktiven Zentren des Katalysators bestimmt wird“, sagt Peter Wasserscheid, Direktor des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg. Die Entdeckung gelang anhand einer Reaktion, die zukünftig eine Schlüssel­rolle für den Transport von grünem Wasserstoff spielen könnte. Dabei wird Wasserstoff, gebunden an ein flüssiges Trägermedium – in diesem Fall LOHC („liquid organic hydrogen carrier“) – gelagert und transportiert und später daraus wieder freigesetzt. 

Die Technologie gilt als äußerst sicher und einfach handhabbar. Je schneller Wasserstoff aus dem Träger­medium mit Hilfe eines Katalysators wieder freigesetzt werden kann, desto kompakter und leistungs­stärker kann die Technologie eingesetzt werden. Die Forschenden konnten zeigen, dass sich pro Zeiteinheit bei gleichen Bedingungen fünfzigmal mehr Wasserstoff aus dem Träger­medium absondert, wenn dabei die Bildung von Gasblasen in den Poren des Katalysators angeregt wird. Die Erklärung für den enormen Unterschied: „Normalerweise produziert das System bei der katalytischen Wasserstoff­freisetzung nur gelösten Wasserstoff. In der flüssigen Phase um die aktiven Zentren des Katalysators herum stellt sich dann schnell eine Sättigung ein“, sagt Wasserscheid. 

Die Bläschen in den Katalysator­poren wirken dagegen wie winzige Pumpen. Sie helfen, den freigesetzten Wasserstoff abzuführen. „Hat sich erst einmal eine Blase in einer Katalysatorpore gebildet, dann sammelt die wachsende Blase den gebildeten Wasserstoff ein. Wenn sich die Blase dann in die umgebende Flüssigkeit ablöst, strömt der beladene Wasserstoff­träger in die Pore nach und der Vorgang beginnt von vorn“, sagt Wasserscheid. Die Blasenbildung kann auch künstlich herbeigeführt werden; etwa indem man die Katalysator­oberfläche chemisch modifiziert oder durch einen mechanischen Reiz. Die Erkenntnisse werfen ein neues Licht auf leistungs­begrenzende Faktoren in der heterogenen Katalyse, die vor allem für die grüne Wasserstoff­wirtschaft der Zukunft von sehr großer Bedeutung sind.

FZJ / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  T. Solymosi et al.: Nucleation as a rate-determining step in catalytic gas generation reactions from liquid phase systems, Sci. Adv. 8, ade3262 (2022); DOI: 10.1126/sciadv.ade3262
• Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien HI ERN
• Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-11), Forschungszentrum Jülich