Woran forscht das MPI CEC?

 

Unser Auftrag am MPI CEC

Die Grundlagenforschung am Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion schafft ein umfassendes Verständnis der Wirkungsweise aktiver Zentren von Katalysatoren, die wesentlich für die Umwandlungsprozesse von Energie und chemischen Bindungen sind. Dies umfasst die mechanistische Aufklärung, das rationale Design, die kontrollierte Herstellung, und die synthetische Nutzung von Katalysatoren und katalytischen Systemen. Dabei bauen wir auf einen integrierten Forschungsansatz der traditionellen Katalysedisziplinen mit biologischen Systemen, Molekülen und Grenzflächen.

Wir untersuchen insbesondere katalytische Systeme für die Aktivierung und Umwandlung kleiner Moleküle wie CO2, CO, H2O, H2, und N2, die für die Bedürfnisse zukünftiger „defossilisierter“ Energiesysteme essenziell sind. Den Fokus legen wir auf die chemische Speicherung und Nutzung von erneuerbarer Elektrizität z.B. in Form nachhaltiger Kraftstoffe für die Mobilität oder unverzichtbarer Produkte der chemischen Industrie.

Eine unserer wichtigen Aufgaben in allen drei Abteilungen ist zurzeit die Herstellung und Nutzung von Wasserstoff.

Herausforderungen für das Forschungsgebiet der chemischen Energiekonversion

Ob Elektroautos, Wasserstoffspeicher oder Brennstoffzellen: Die Herausforderungen im Gebiet der chemischen Energiekonversion sind mannigfaltig. Die folgende Auflistung gibt einen kurzen Überblick über einige beteiligte chemische Reaktionen, die es näher zu ergründen gilt.

1.    Umwandlung von Licht in elektrische Energie
Primäre Energie ist Lichtenergie. Diese Energie muss eingesammelt und in elektrische Energie umgesetzt werden. Entscheidende Fortschritte auf dem Gebiet der Photovoltaik sind bereits erzielt worden, aber weitere Fortschritte sind notwendig.

2.    Wasserstoff als Energiespeicher
Da elektrische Energie nicht in befriedigender Form gespeichert und transportiert werden kann, ist es notwendig, sie in Form von chemischen Bindungen zu speichern. Eine zentrale Rolle fällt dabei der Erzeugung von Wasserstoff aus Protonen und Elektronen zu. Wir sind der Überzeugung, dass dieser primär photochemisch erzeugte Wasserstoff in der Energiewirtschaft der Zukunft eine zentrale Rolle spielen muss.

3.    Speichermaterialien für Wasserstoff
Der photochemisch erzeugte Wasserstoff kann gespeichert werden. Das Wasserstoffmolekül liegt allerdings in Form eines sehr kleinen, flüchtigen Gases vorliegt, welches sich nur schwer speichern lässt. Die Entwicklung geeigneter Speichermaterialien ist daher ein wichtiger Forschungsschwerpunkt.

4.    Katalytische Spaltung von Wasser
Die für die Wasserstofferzeugung benötigten Elektronen gewinnt man aus Oxidationsprozessen. Idealerweise stammen die Elektronen der Oxidation von Wasser. Bei der Reaktion entstehen Sauerstoff, Elektronen und Protonen. Die elektrochemische Spaltung von Wasser ist zwar seit langem bekannt, ist aber für den großtechnischen Maßstab zu ineffizient. Katalytische Systeme zur Oxidation von Wasser befinden sich im Fokus der modernen Energieforschung.

5.    Weiterentwicklung von Brennstoffzellen
Die im photochemisch erzeugten Wasserstoff gespeicherte Energie kann in einer Brennstoffzelle wieder nutzbar gemacht werden. Die Entwicklung von effizienteren Brennstoffzellen ist ein weiteres wichtiges Forschungsfeld.

6.    Kleine Moleküle als Wasserstoffspeicher
Alternativ kann der photochemisch generierte Wasserstoff direkt mit anderen Molekülen in Energiespeicherstoffe umgesetzt werden. Besonders attraktiv ist es, dabei Kohlendioxid zu aktivieren, um zu organischen Säuren oder Alkoholen zu gelangen. So ist z.B. Methanol (CH3OH) ein attraktiver Energieträger, da er in flüssiger Form vorliegt und eine hohe Energiedichte aufweist. Eine alternative Möglichkeit ist die Umsetzung von Luftstickstoff zu Ammoniak (NH3). In beiden Fällen sind geeignete katalytische Systeme notwendig.  Beide bieten den Vorteil, dass die bestehende Pipeline Infrastruktur zu ihrem Transport genutzt werden könnte.


Weitere Literatur zu unserer Forschung

"Ein Klimagas befeuert die Chemie", Max Planck Forschung, Ausgabe 2, 2019

"Energie.Wende.Jetzt - Eckpunkte für eine zukünftige Energieversorgung", R. Schlögl 04/2019

"Herausforderung Energie", Jürgen Renn, Robert Schlögl and Hans-Peter Zenner (ed.) 2011