Gesalzene Katalysatoren vereinfachen die Speicherung erneuerbarer Energien

In der Testanlage zum katalytischen Dampfreformieren von Methanol werden die durch Salzschmelzen veränderten Katalysatoren untersucht / Bildquelle: FAU

Wind- und Solarkraftwerke erzeugen oftmals mehr Strom als gebraucht wird. Deshalb ist es wichtig, diese Energien so zu speichern, dass man sie unkompliziert und schnell wieder nutzbar machen kann. Als vielversprechende Technik gilt das Speichern von Wasserstoff in Form von Methanol. Dazu benötigt man allerdings einen leistungsfähigen Reaktionsbeschleuniger, um den Wasserstoff wieder zurückzugewinnen, wenn die Energie benötigt wird. Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) haben Platinkatalysatoren mit einer besonderen Beschichtung aus geschmolzenen, basischen Alkalisalzen entwickelt.

Die Schwankungen der produzierten Energiemengen sind ein zentrales Problem bei der Nutzung von erneuerbaren Quellen für die Stromerzeugung. Strom fließt eben nur dann, wenn die Sonne scheint oder der Wind weht. Wann wie viel Energie zur Verfügung steht, lässt sich schwer vorhersehen. Eine Lösung für das Problem ist es, einmal gewonnene Energie in Form von Wasserstoff auf Methanolbasis zu speichern. Mit dem erzeugten Strom wird zunächst Wasser in einer einfachen chemischen Reaktion – der Elektrolyse – in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. In einem zweiten Schritt lässt man den Wasserstoff dann mit Kohlenstoffdioxid reagieren, es entstehen Methanol und Wasser. Das flüssige Methanol – ein Alkohol – kann in Tanks aufbewahrt werden. Zu einem späteren Zeitpunkt lässt sich der Wasserstoff wieder freisetzen und zum Beispiel in einer Brennstoffzelle nutzen.

Den Vorgang, bei dem der Wasserstoff aus Methanol freigesetzt wird, nennt man Dampfreformieren. Der Schritt ist im Prinzip eine Umkehrung der Methanolbildungsreaktion. Das produzierte Gas darf jedoch nur eine sehr geringe Menge an Kohlenstoffmonoxid enthalten, da dieses Gas in größeren Mengen als Gift für den Katalysator der nachgeschalteten Brennstoffzelle wirkt. Damit die Methanolzersetzung auch in kleinen und dezentralen Anlagen wirtschaftlich durchführbar ist, soll der verwendete Katalysator bei möglichst niedrigen Temperaturen effektiv arbeiten.

Die Teams um Prof. Dr. Peter Wasserscheid und Prof. Dr. Jörg Libuda von der FAU haben jetzt gemeinsam einen solchen verbesserten Katalysator entwickelt. Es handelt sich dabei um Platin-Nanopartikel, die auf einem Träger aus Aluminiumoxid aufgebracht sind. Der entscheidende Kniff: Die Oberfläche ist mit einem dünnen Film eines basischen Salzes beschichtet. Flüssige Salze verdampfen unter den gewählten Reaktionsbedingungen nicht, so dass sie während der Dampfreformierung auf der Katalysatoroberfläche verbleiben und die aktiven Metallzentren dauerhaft aktivieren. Die Salzbeschichtung führt dazu, dass gebildeter Wasserstoff schnell aus der Reaktionszone entfernt wird und weiteres Methanol schneller umgesetzt werden kann. Zum anderen ist das Salz hygroskopisch, das heißt, es zieht Wasser an und stellt damit Wasser, das für die Reaktion gebraucht wird, an den aktiven Stellen des Katalysators zur Verfügung. Die Alkaliionen sorgen für eine stärkere Bindung des Zwischenprodukts Kohlenstoffmonoxid am Katalysator, so dass sich die Wahrscheinlichkeit einer Weiterreaktion zu Kohlenstoffdioxid erhöht. Im Vergleich zum unbeschichteten Material zeigt der beschichtete Katalysator eine deutlich höhere katalytische Aktivität sowie eine sehr deutlich verbesserte Selektivität. Unter vergleichbaren Bedingungen wird die Selektivität zu Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff von 60 % auf über 99 % durch die Salzbeschichtung erhöht.

Die Wissenschaftler

Prof. Dr. Peter Wasserscheid leitet den Lehrstuhl für Chemische Reaktionstechnik an der FAU. Er ist Sprecher des Bereichs Katalytische Materialien des Erlanger Exzellenzclusters Engineering of Advanced Materials und bearbeitet einen Advanced Investigator Grant des Europäischen Forschungsrats zum Thema Dehydrierkatalyse mit salzbeschichteten Katalysatoren in dessen Rahmen die beschriebenen Untersuchungen durchgeführt wurden.

Prof. Dr. Jörg Libuda ist Professor für Physikalische Chemie an der FAU. Er leitet mehrere Teilprojekte des Erlanger Exzellenzclusters Engineering of Advanced Materials sowie andere Projekte und Netzwerke auf nationaler und europäischer Ebene. Den Schwerpunkt seiner wissenschaftlichen Arbeit bilden Modellstudien und spektroskopische Untersuchungen an energierelevanten Katalysatoren und Materialien.

Die Forschungsergebnisse sind in der renommierten Fachzeitschrift Angewandte Chemie (Int. Ed. 2013, 52(19), 5028-5032) veröffentlicht.

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