Sonne speichern für Regentage

Die Universität von Toronto hat einen Katalysator entworfen, der besonders effizient grüne Energie speichert.
Sonne speichern für Regentage

Die Universität von Toronto hat einen Katalysator entworfen, der besonders effizient grüne Energie speichert.

Wir können nicht kontrollieren, wann der Wind weht und wann die Sonne scheint, deshalb bleiben Wege zur Speicherung von Energie aus alternativen Quellen ein dringendes Forschungsproblem. Nun hat eine Gruppe von Forschern unter der Leitung von Professor Ted Sargent von der Universität Toronto vielleicht eine von der Natur inspirierte Lösung gefunden.

Mit einer Kombination aus Theorie und kluger, sorgfältiger Gel-Herstellung konnten die Wissenschaftler einen Katalysator entwickeln, der dreimal besser ist als der bisherige Rekordhalter im Spalten von Wasserstoff und Sauerstoff. Und das ist der entscheidende erste Schritt zur Herstellung von Treibstoffen aus Sonnen- und Windenergie.

Auf teure Metalle verzichten
Die Forschungen skizzieren einen möglichen Weg, um zukünftige Generationen von wasserspaltenden Katalysatoren aus drei reichlich vorhandenen Metallen - Eisen, Kobalt und Wolfram - zu bauen statt die seltenen, teuren Metalle zu benutzen, auf denen viele der heutigen Katalysatoren basieren.

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Sonnen- und Windkraft speichern
Wissenschaftler haben nach einem effizienten Weg gesucht, um Strom aus Sonnen- und Windenergie zu speichern, so dass er jederzeit genutzt werden kann - nicht nur wenn die Sonne scheint und der Wind weht. Ein Weg dahin ist, den elektrischen Strom dafür zu nutzen, um Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten und den Wasserstoff zu speichern und später als Treibstoff zu verwenden.

Diese Reaktion findet in verschiedenen Schritten statt, von denen jeder einen Katalysator benötigt: Einen Stoff, der die chemische Reaktion fördert ohne selbst verbraucht zu werden. In diesem Fall konzentrierten sich die Wissenschaftler auf den Schritt, wo Sauerstoffatome sich zu einem Gas verbinden, das wegströmt, was bis jetzt einen Engpass in diesem Prozess darstellte.

Zusatz von Wolfram
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Mit Hilfe leistungsfähiger Computerberechnungen ermittelte das Team, dass die Zugabe von Wolfram die Aktivität des Katalysators drastisch erhöhen könnte. Besonders wenn die drei Metalle so gründlich gemischt werden, dass ihre Atome gleichmäßig nahe der aktiven Seite verteilt werden, wo die Reaktion stattfindet und sich nicht in einzelne Gruppen aufteilen, wozu sie normalerweise neigen.

»Wolfram ist ein ziemlich großes Atom im Vergleich mit den anderen beiden, und wenn man ein wenig hinzufügt, erweitert es das Atomgitter und das beeinflusst die Reaktion nicht nur geometrisch, sondern auch elektronisch«, sagt Vojvodic. »Wir konnten auf der atomaren Ebene verstehen, warum es funktioniert und das wurde dann experimentell verifiziert.«

Metallatome in Gel
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Mehr Katalysatoren mit drei Metallen
Sargent sagt, dass die Forscher hoffen, mit der gleichen Methode andere Drei-Metall-Katalysatoren entwickeln zu können, zur Spaltung von Wasser, aber auch Kohlendioxid, ein Treibhausgas, das bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe freigesetzt wird. So sollen erneuerbare Treibstoffe und Chemierohstoffe produziert werden. Er und fünf weitere Mitglieder des Toronto-Teams haben ein vorläufiges Patent für diese Katalysator-Technik eingereicht.
»Es gibt noch eine Menge Dinge, die wir lernen müssen«, sagt Vojvodic. »Gibt es andere reichlich vorhandene Metalle, die wir als Mischung in den Oxiden testen können? Welche Mischungen sind optimal? Wie stabil ist der Katalysator und wie können wir seine Produktion erhöhen? All das muss wirklich auf Geräteebene geprüft werden.«
Jeffrey C. Grossman, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen, der nicht an der Studie beteiligt war, meint: »Die Arbeit unterstreicht eindrucksvoll, was die enge Kopplung von computergestützten Materialwissenschaften mit fortgeschrittenen experimentellen Techniken leisten kann und legt eine hohe Messlatte für einen solchen kombinierten Ansatz. Es eröffnet neue Wege, um den Fortschritt bei effizienten Materialien zur Energieumwandlung und -speicherung voranzutreiben.«

Die Forschungsarbeit wurde im führenden Wissenschaftsjournal »Science« veröffentlicht.

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Text: Angelika Lensen
Fotos: Bildagentur Zoonar
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