Ein internationaler Zusammenschluss von Forschenden mit Beteiligung der Universität Bern macht sich mit neuen Konzepten auf die Suche nach leistungsfähigen und haltbaren Elektrokatalysatoren für die Energiewende. Dabei werden sie vom Europäischen Forschungsrat (ERC) mit zehn Millionen Euro gefördert.
Für die Herstellung von Wasserstoff müssen Reaktionen katalysiert werden, die teils unter extremen Bedingungen stattfinden. Bisherige Elektrokatalysatoren halten das meist nicht lange aus. Also werden neue Materialien benötigt, die sowohl leistungsstark als auch langlebig sind und die idealerweise keine teuren und knappen Elemente enthalten.
Mit einem neuen Ansatz machen sich Forschende aus Dänemark, Deutschland und der Schweiz im Projekt «Directed Evolution of Metastable Electrocatalyst Interfaces for Energy Conversion», kurz DEMI, systematisch auf die Suche. Dabei bündeln verschiedene dänische und deutsche Institute sowie die Universität Bern ihre Expertise. DEMI wird für die kommenden sechs Jahre mit rund zehn 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. Während die Kopenhagener Forschenden aussichtsreiche Materialkombinationen basierend auf theoretischer Elektrochemie und Simulationen berechnen, führt das Bochumer Team unter anderem ein evolutionäres Screening mit neuartigen Mikromaterialbibliotheken durch.
Tausende Materialien werden im Anschluss extremen elektrochemischen Bedingungen ausgesetzt, um somit sehr schnell die «Überlebensfähigen» zu identifizieren. Auf dieser Basis werden weitere Materialbibliotheken hergestellt, welche die Erlanger Forschenden im Hochdurchsatz auf ihre elektrochemische Leistungsfähigkeit hin untersuchen. «Das Team der Universität Bern stellt dann aus den besten Materialkombinationen Katalysatoren in Form von Nanopartikeln her, die in die Anwendung überführt werden könnten», erklärt Matthias Arenz von der Universität Bern.
Lange Leistungsfähigkeit auch unter Last
DEMI wird wichtige Beiträge liefern, um mit neuen Katalysatormaterialien die Effizienz von Elektrolyse und Brennstoffzellen deutlich zu erhöhen, und damit Kosten der Technologien zu senken. Ziel der Forschenden ist es, Materialien zu finden, die auch unter Last lange leistungsfähig sind. Ein datengetriebener, vernetzender Ansatz soll einen Durchbruch zum Verständnis von Metastabilität von Grenzflächen anstreben.
«Die Stabilität von Katalysatoren steht selten im Fokus der Forschung. Dies ändert sich mit unserem Projekt», erklärt Matthias Arenz. «Wir erwarten sowohl fundamentale Erkenntnisse über Metastabilität als auch neuartige Katalysatoren für die Energiewende.»
