Damit die Energiewende gelingt, brauchen wir effiziente Energiespeicher. Ideen dafür gibt es viele, aber eine der entscheidenden Herausforderung bleibt die Suche nach passenden Materialien: Wenn man etwa Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten oder Kohlendioxid aus der Luft umwandeln möchte, dann braucht man dafür geeignete Katalysatoren mit ganz bestimmten physikalisch-chemischen Eigenschaften.

Die Suche, Analyse und Verbesserung solcher Materialien wird nun an der TU Wien in einem wissenschaftlichen Großprojekt vorangetrieben: Am 1. Oktober 2023 wurde der Exzellenzcluster „Materials for Energy Conversion and Storage (MECS)“ offiziell gestartet. Im März hatte der österreichische Wissenschaftsfonds FWF das Projekt in einem hochkompetitiven Verfahren ausgewählt: Für die nächsten fünf Jahre steht insgesamt ein Budget von 35 Millionen Euro zur Verfügung, 20 Millionen davon kommen vom FWF, 15 stellen die Institutionen selbst auf. Gemeinsam mit mehreren Forschungsgruppen aus den Fakultäten für Chemie und Physik der TU Wien sind auch Teams der Universität Wien, der Universität Innsbruck und dem Institute of Science and Technology Austria (ISTA) beteiligt.

Wasserstoffproduktion

Große Hoffnungen werden im Zusammenhang mit der Energiewende in den Energieträger Wasserstoff gesetzt. Das Grundprinzip der Elektrolyse kennt man aus simplen Schulversuchen: Mit Hilfe von elektrischem Strom kann Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten werden. Den Wasserstoff kann man dann aufbewahren, später wieder mit Sauerstoff umsetzen und somit einen Teil der Energie zurückgewinnen.

Wenn man dafür Strom aus erneuerbaren Quellen verwendet, ist das im Prinzip ein klimaneutraler Prozess. Damit bei diesem Prozess möglichst wenig Energie ungenutzt verlorengeht, braucht man passende Katalysatoren – man spricht in diesem Fall von „Elektrokatalyse“.

Eine andere Methode ist die sogenannte Photokatalyse. Dabei wird nicht elektrischer Strom verwendet, stattdessen wird das Sonnenlicht direkt genutzt: Es trifft auf einen passenden Katalysator und liefert direkt an dessen Oberfläche die nötige Energie, um bestimmte chemische Reaktionen anzuregen.

Von Kohlendioxid zum künstlichen Treibstoff

„Um solche maßgeschneiderte Nanokatalysatoren zu entwickeln, muss man zuerst genau verstehen, welche chemischen und physikalischen Prozesse sich auf atomarer Ebene an Oberflächen und Grenzflächen abspielen“, sagt Prof. Günther Rupprechter vom Institut für Materialchemie der TU Wien, der den Exzellenzcluster leitet.

Je nach Katalysator kann man auch andere chemische Reaktionen durchführen. „Man kann das Kohlendioxid der Luft nutzen und dann in weiteren Schritten in wertvolles Synthesegas, synthetische Treibstoffe oder Chemkalien umwandeln“, sagt Günther Rupprechter.

Viel Erfahrung an der TU Wien

An der Entwicklung an Katalysatoren – oder allgemeiner: dem Verständnis von physikalisch-chemischen Prozessen an Oberflächen verschiedener Materialien – wird an der TU Wien seit vielen Jahren mit großem Erfolg geforscht. „Es gibt in diesem Bereich bei uns eine ganze Reihe international angesehener Forschungsgruppen, die auch in der Vergangenheit immer wieder eng miteinander kooperiert haben, etwa durch gemeinsame Spezialforschungsbereiche (SFBs) oder Doktoratskollegs“ sagt Günther Rupprechter. Chemie und Physik greifen in diesem Bereich nahtlos aneinander, die Stärken unterschiedlicher Fachbereiche sollen nun im neuen Exzellenzcluster noch weiter ausgebaut und enger miteinander verknüpft werden.

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