Die Erkenntnisse könnten dazu beitragen, die Effizienz des zwar hochaktiven, aber kostenintensiven Katalysatormaterials Iridium deutlich zu steigern und somit die Nutzung von grünem Wasserstoff als klimafreundlichem Energiespeicher maßgeblich voranzutreiben.

Katalyse für grüne Wasserstoffsysteme

Grüner Wasserstoff gilt als Schlüsselelement für eine klimafreundliche Energiezukunft. Seine Nutzung erfordert jedoch geeignete Speichermöglichkeiten sowie eine effiziente Rückgewinnung. Als Trägersubstanzen kommen unter anderem Ammoniak, Methanol und Ameisensäure infrage.

Um Wasserstoff in diese Moleküle einzubinden oder ihn daraus wieder freizusetzen, sind Katalysatoren unerlässlich. Sie ermöglichen oder beschleunigen die dafür nötigen chemischen Reaktionen.

Synthese zweier Katalyseprinzipien

Das Besondere an dem neuen Ansatz ist die Verbindung der beiden meistgenutzten Katalysemethoden: der homogenen und der heterogenen Katalyse. Homogene Katalyse bedeutet, dass Katalysator und Reaktand in der gleichen Phase (beispielsweise flüssig oder gasförmig) vorliegen. Die heterogene Katalyse arbeitet dagegen mit einem festen Katalysator, der mit flüssigen oder gasförmigen Reaktanden reagiert.

Beide Katalyse-Prinzipien haben spezifische Vorteile:

• Die heterogene Katalyse ermöglicht eine einfache Trennung von Katalysator und Produkt, was Kosten spart.
• Die homogene Katalyse ist meist aktiver und selektiver, da alle Atome des Katalysators an der Reaktion teilnehmen können und gezielt auf bestimmte Prozesse abgestimmt werden können.

„Mit dem neuen Katalysator haben wir versucht, das Beste aus der anderen Welt, also der homogenen Katalyse, für unsere Welt zu nutzen“, beschreibt Prof. Regina Palkovits, die sowohl den Aachener Lehrstuhl für Heterogene Katalyse und Technische Chemie als auch das Jülicher Institut für nachhaltige Wasserstoffwirtschaft leitet.

Molekularer Katalysator in fester Form

Im Zentrum des Konzepts steht das Molekül Terpyridin, das Iridiumatome stabil binden kann. Dieses wurde in ein Polymer integriert – eine chemische Verbindung, die aus sich wiederholenden Bausteinen besteht. Das Ergebnis ist ein sogenannter Solid Molecular Catalyst (SMC), also ein fester, molekular definierter Katalysator.

„So kann das Iridium wie in der heterogenen Katalyse vom Reaktanden abgetrennt werden, in diesem Fall als Bestandteil des Terpyridin-Polymers“, erklärt Keanu Birkelbach, Erstautor der Veröffentlichung. „Gleichzeitig bildet jedes Iridium-Atom im SMC ein katalytisch aktives Zentrum, wie es in der homogenen Katalyse der Fall ist.“

Dieser duale Ansatz vereint die hohe Aktivität homogener Systeme mit der praktischen Abtrennbarkeit heterogener Katalysatoren. Zudem lässt sich das wertvolle Iridium effizienter einsetzen und wiederverwenden. Das ist auch ökonomisch bedeutsam, denn Iridium ist derzeit rund 50 Prozent teurer als Gold.

Skalierung und Materialalternativen

Für die nächsten Schritte nennt Keanu Birkelbach drei Ziele: die Skalierung des Reaktors über den Labormaßstab hinaus, die Prüfung günstigerer Metallalternativen zu Iridium und die Erprobung weiterer Wasserstoff-Trägermoleküle. Im aktuellen Versuch wurde Wasserstoff aus Ameisensäure freigesetzt - mit Erfolg.

Mit diesem Ansatz könnten künftig leistungsfähigere und wirtschaftlichere Katalysatorsysteme für die Wasserstoffwirtschaft entstehen und ein weiterer Baustein für das klimaneutrale Energiesystem der Zukunft gelegt werden.

Originalpublikation:
Birkelbach, K. V. A., Hartmann, H., Besmehn, A., Meledin, A., Kappel, I., Hausoul, P. J. C., & Palkovits, R. (2025). Enabling the terpyridine ligand motif for Ir-based solid molecular catalysts. EES Catalysis, 3, 701–711. DOI: 10.1039/D4EY00281D

Quelle: Forschungszentrum Jülich