Katalysatoren sind von größter Bedeutung für die Herstellung von Chemikalien und die Energiespeicherung mit Wasserstoff. Forscher des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN) und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) haben nun herausgefunden, dass die Bildung von Blasen in den Poren eines Katalysators für dessen Aktivität entscheidend sein kann. Ihre Erkenntnisse helfen dabei, Katalysatormaterialien für Reaktionen zu optimieren, bei denen aus Flüssigkeiten Gase entstehen – und die eine zentrale Rolle in einer zukünftigen grünen Wasserstoffwirtschaft spielen.
Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen, ohne selbst verbraucht zu werden. Viele Reaktionen in Natur und Industrie funktionieren nur dank ihrer Hilfe. Katalysatoren werden beispielsweise in rund 80 % aller chemischen Produktionsprozesse eingesetzt und spielen auch bei Technologien zur chemischen Speicherung von Wasserstoff eine wichtige Rolle.
In den meisten Fällen handelt es sich um sogenannte heterogene Katalysatoren, die sich in einem anderen Aggregatzustand befinden als die eigentlichen Reaktionspartner. Feste, poröse Katalysatoren sind hier besonders wichtig, da sie sich sehr gut von flüssigen oder gasförmigen Reaktionsprodukten trennen lassen.
Forscher des HI ERN und der FAU haben nun herausgefunden, dass sich die Produktivität solcher Katalysatoren für Gaserzeugungsreaktionen deutlich steigern lässt, wenn sich in den Katalysatorporen besonders leicht Gasblasen bilden.
Experiment: Aktivierung der H2-Blasenbildung in Katalysatorpellets durch leichtes Pressen mit einem Metallstab. Bildnachweis: HALLO ERN / Thomas Solymosi
„Dieser zusätzliche Faktor, der die Reaktionsgeschwindigkeit maßgeblich bestimmt, war bisher unbekannt. Bisher ging man davon aus, dass die Reaktionsgeschwindigkeit nur durch die chemische Oberflächenreaktion oder durch den Transport von Molekülen zu den aktiven Zentren des Katalysators bestimmt wird“, erklärt er Prof. Dr. Peter Wasserscheid, Direktor des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg, einer Außenstelle des Forschungszentrums Jülich, und Leiter des Lehrstuhls für Chemische Reaktionstechnik an der FAU.
Steigerung der Produktivität um den Faktor 50
Die Entdeckung erfolgte anhand einer Reaktion, die künftig eine Schlüsselrolle beim Transport von grünem Wasserstoff spielen könnte. Dazu wird Wasserstoff an ein flüssiges Trägermedium – in diesem Fall LOHC („liquid organic hydrogen carrier“) – gebunden gespeichert und transportiert und später daraus wieder freigesetzt.
Die Technik gilt als äußerst sicher und einfach zu handhaben. Je schneller Wasserstoff mit Hilfe eines Katalysators aus dem Trägermedium freigesetzt werden kann, desto kompakter und leistungsfähiger kann diese Technologie eingesetzt werden.
Die Forscher von HI ERN und FAU konnten zeigen, dass unter gleichen Bedingungen 50-mal mehr Wasserstoff pro Zeiteinheit aus dem Trägermedium freigesetzt wird, wenn dabei die Bildung von Gasblasen in den Poren des Katalysators induziert wird.
Der Grund 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 stellt sich dann schnell eine Sättigung ein“, sagt Peter Wasserscheid.
Die Bläschen in den Katalysatorporen hingegen wirken wie winzige Pumpen. Sie helfen, den freigesetzten Wasserstoff zu entfernen. „Sobald sich in einer Katalysatorpore eine Blase gebildet hat, sammelt die wachsende Blase den gebildeten Wasserstoff. Löst sich die Blase dann von der umgebenden Flüssigkeit ab, fließt der beladene Wasserstoffträger zurück in die Pore und der Prozess beginnt von vorne“, erklärt Peter Wasserscheid das Prinzip.
Die Bildung von Blasen, die sogenannte Nukleation, kann auch künstlich herbeigeführt werden, beispielsweise durch chemische Modifikation der Katalysatoroberfläche oder durch einen mechanischen Stimulus. Die Ergebnisse werfen ein neues Licht auf leistungsbegrenzende Faktoren in der heterogenen Katalyse, die insbesondere für die grüne Wasserstoffwirtschaft der Zukunft von sehr hoher Relevanz sind.
Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.
Mehr Informationen:
Thomas Solymosi et al, Keimbildung als geschwindigkeitsbestimmender Schritt in katalytischen Gaserzeugungsreaktionen aus Flüssigphasensystemen, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.ade3262