Auf dem Weg zur grünen Chemie

Die Chemieindustrie benötigt riesige Mengen Wasserstoff und Ethanol, um zum Beispiel Düngemittel oder Plastik herzustellen. Bislang werden diese Basisstoffe im Wesentlichen aus Erdgas hergestellt. Für die Umstellung auf eine grüne Chemie ohne CO₂-Emissionen braucht es neue Verfahren. Katalysatoren – chemische Reaktionsbeschleuniger – spielen dabei eine Schlüsselrolle. PETRA IV kann helfen, solche chemischen Helferlein detaillierter zu analysieren und damit zu verbessern.

Eine der Zukunftsvisionen: CO₂ in großen Mengen aus der Luft filtern, um es als Rohstoff für die Chemie zu verwerten, etwa für die Herstellung von Ethanol. Das ist im Prinzip schon heute mithilfe von Katalysatoren möglich. Bislang aber entsteht bei den Reaktionen nicht nur das gewünschte Ethanol, sondern es bilden sich zugleich auch weitere Substanzen, die dann aufwändig vom Ethanol getrennt werden müssen. Gesucht sind daher Katalysatoren, die erheblich selektiver sind und nur die gewünschte Reaktion zu Ethanol begünstigen, nicht aber andere Reaktionen.

Grüner Wasserstoff günstig erzeugt

Auch für die Herstellung von grünem Wasserstoff in Elektrolyseuren sind Katalysatoren zentral – Elektrolyseure sind Anlagen, die die Spaltung des Wassermoleküls mit Strom überhaupt erst ermöglichen. Bislang basiert diese als Katalyse bezeichnete Reaktion oftmals auf relativ teuren Stoffen, zum Beispiel Iridiumoxid. Ließen sich stattdessen andere, preisgünstigere Materialien nutzen, könnte die Wasserstoffproduktion billiger werden. Auch die Lebensdauer der Katalysatoren gilt als verbesserungswürdig. Je länger sie halten, umso kostengünstiger wird die Erzeugung von grünem Wasserstoff für die Industrie.

Um sie besser zu verstehen und gezielt optimieren zu können, untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Katalysatoren bereits heute mit leistungsstarken Röntgenquellen wie PETRA III. Damit lässt sich beispielsweise ihre genaue molekulare Struktur detailliert erfassen. Begrenzt ist jedoch die Möglichkeit, präzise nachzuverfolgen, wie die chemischen Helferlein agieren, und sie gewissermaßen bei ihrer Arbeit zu beobachten. Diese Möglichkeit wird PETRA IV bieten. „Bei unseren Experimenten arbeiten wir meist mit sehr kleinen Probenmengen“, erklärt Beatriz Roldán Cuenya, Direktorin am Fritz-Haber-Institut in Berlin. „Um zu verstehen, wie sich die Katalysatoren verhalten, regen wir sie mit Energie an und beobachten, wie sie darauf reagieren.“ Für diese Forschung plant das Max-Planck-Institut eine neue Beamline, die zunächst an PETRA III errichtet und später an PETRA IV weiterbetrieben werden soll.

Um das möglichst genau zu machen, braucht es eine gute zeitliche Auflösung – bildlich gesprochen schnelle Belichtungszeiten im Bereich von einer Millisekunde.

„Erst mit der hohen Brillanz von PETRA IV werden wir schnell genug messen können, um das Verhalten der Katalysatoren genauer beobachten zu können“, sagt Beatriz Roldán Cuenya.