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Terahertz-KalorimetrieWie sich Wasser in der Umgebung von gelösten Molekülen verhält

Hat Idee des Terahertz-Kalorimeters realisiert: Martina Havenith

Chemikerinnen und Chemiker der Ruhr-Universität Bochum haben eine neue Methode entwickelt, mit der sie Veränderungen in der Energie und Struktur von Wassermolekülen in der Umgebung gelöster Moleküle erfassen können. 

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Katalysator- und BrennstoffzellenforschungWasserstoff aus Methanol für Brennstoffzellen

Eine ganze Kaskade an chemischen Reaktionen läuft ab, wenn aus Methanol mit Hilfe von Metall-Katalysatoren Wasserstoff gewonnen wird. An der TU Wien werden diese Prozesse untersucht, Karin Föttinger und Christoph Rameshan erhielten dafür zwei Forschungspreise.

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Katalysator- und Brennstoffzellenforschung: Wasserstoff aus Methanol für Brennstoffzellen

Wenn Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser reagiert, wird Energie frei. Diese Reaktion nutzt man in Brennstoffzellen. Ein wesentliches Problem dabei ist allerdings die Aufbewahrung des benötigten Wasserstoffs. Daher versucht man, Wasserstoff in Form von Methanol zu speichern, und das Methanol dann wieder in Wasserstoff und Kohlendioxid zu zerlegen. Das gelingt mit speziellen Metall-Katalysatoren, die an der TU Wien untersucht werden.

Unklar war lange Zeit, welche Atome und Moleküle auf der Katalysator-Oberfläche überhaupt eine wichtige Rolle spielen. Verschiedene Messungen zeigen nun: Entscheidend ist das Zusammenspiel aus Metallen und Metalloxiden. Karin Föttinger und Christoph Rameshan, beide am Institut für Materialchemie der TU Wien tätig, erhielten für Arbeiten dazu jeweils einen Forschungspreis.

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Nano-Partikel auf Oxid-Oberflächen

Methanol ist das kleinste Alkoholmolekül und wird in großen Mengen industriell hergestellt. In Zukunft könnte Methanol eine wichtige Rolle als Energieträger spielen. Denn wenn es gelingt, ihn effizient und umweltfreundlich in Wasserstoff und CO2 umzuwandeln, kann aus dem Wasserstoff in einer Brennstoffzelle saubere Energie gewonnen werden. Die sogenannte Dampfreformierung, bei der aus Methanol mit Wasserdampf Kohlendioxid und Wasserstoff entsteht, läuft allerdings nur mit Hilfe bestimmter Katalysatoren ab, wie etwa mit Metall-Nanopartikeln auf Oxid-Oberflächen.

Das Ziel ist, aus Methanol und Wasserdampf ein möglichst reines Gemisch von CO2 und molekularem Wasserstoff herzustellen. Kohlenmonoxid soll darin nicht enthalten sein, weil das den Brennstoffzellen schaden würde. Die Kohlenmonoxid-Konzentration im Produktgas hängt ganz entscheidend von der Art des verwendeten Katalysators ab.

An der TU Wien werden diese katalytischen Vorgänge im Rahmen des Spezialforschungsbereichs FOXSI untersucht, der von Prof. Günther Rupprechter vom Institut für Materialchemie geleitet wird. Die Prozesse, die an der Katalysatoroberfläche ablaufen, sind sehr kompliziert: "Unterschiedliche Atom- und Molekülsorten sind beteiligt", erklärt Karin Föttinger. "Oft ist schwer zu sagen, welche für die Reaktion wichtig sind, und welche eine untergeordnete Rolle spielen."

In der Industrie versucht man, solche Prozesse durch Versuch und Irrtum anzupassen, die Zusammensetzung der Katalysatoren oder Parameter wie Druck und Temperatur zu verändern, doch an der TU Wien geht man einen Schritt weiter: Karin Föttinger untersucht mit modernen spektroskopischen Methoden, wie die Reaktionen am Katalysator im Detail ablaufen. Christoph Rameshan trennt die einzelnen Komponenten des Katalysators und analysiert sie in Modellsystemen einzeln. So wird es einfacher, genau zu verstehen, was bei den komplizierten chemischen Prozessen an der Katalysator-Oberfläche alles passiert.

Oft werden als Katalysatoren winzige Nanopartikel aus Metall verwendet, etwa aus Palladium. Diese Partikel werden auf Metalloxid-Oberflächen, zum Beispiel Zinkoxid gesetzt. Heiß diskutiert wurde in den letzten Jahren die Frage, ob das Reinmetall oder das Oxid für die Katalyse zuständig ist. "Unsere Messungen zeigen: Man braucht beides", erklärt Karin Föttinger. "Das Oxid ist wichtig für die Wasseraktivierung, für die Aufspaltung der Wassermoleküle. Das Metall hingegen ist wichtig für die Aufspaltung des Methanols", so Rameshan. Diese Erkenntnisse können nun dazu genutzt werden, die Katalysatoren zu verbessern, indem man beispielsweise durch Nanostrukturierung die Metall-Oxid-Grenzfläche optimiert.

Auszeichnung für TU-Forschung

Die Arbeiten am Institut für Materialchemie wurden nun durch zwei Forschungspreise gewürdigt: Karin Föttinger erhielt den angesehenen Theodor-Körner-Förderungspreis, um zusätzliche experimentelle Geräte für weitere Forschungen finanzieren zu können. Christoph Rameshan wurde der Gerhard Ertl Young Investigator Award 2014 zugesprochen, der jährlich vom Journal Surface Science für herausragende Forschungsleistungen vergeben wird.

Rückfragehinweis:

Prof. Günther Rupprechter

Institut für Materialchemie

Technische Universität Wien

Getreidemarkt 9, 1060 Wien

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