Weltweit häufig vorkommende Materialien als Katalysatoren der umweltfreundlichen Energieerzeugung?
Es ist eines der größten Paradoxe unserer Gesellschaft: Der politische Wille zur Schonung der Ressourcen und zum Klimaschutz besteht, aber die beliebtesten Technologien sind wahre Energiefresser und von seltenen Ressourcen und Materialien abhängig. Typisches Beispiel dafür sind natürlich Smartphones und ihre Abhängigkeit von Seltenerdmetallen. Für Katalysatoren, jene Substanzen, welche die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen erhöhen, gilt das Gleiche. Sie könnten allerdings der Schlüssel zu umweltfreundlichen Energieumwandlungstechnologien sein. Das Katalysatorproblem stand im Mittelpunkt des Projekts CritCat (Towards Replacement of Critical Catalyst Materials by Improved Nanoparticle Control and Rational Design). Sein Ziel war, seltene kritische Metalle, üblicherweise Metalle der Platingruppe, die in der heterogenen und elektrochemischen Katalyse im Einsatz sind, durch weltweit häufig vorkommende Materialien zu ersetzen. Das Projektkonsortium erforschte drei Jahre lang die Eigenschaften ultrakleiner Übergangsmetall-Nanopartikel, um neue Energieumwandlungstechnologien auf den Weg zu bringen. Zu diesem Zweck spaltete das Team nacheinander Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auf, um unter den Übergangsmetallen Alternativen zu den katalytischen Platingruppenmetallen zu finden, synthetisierte Proben, charakterisierte sie und setzte sie in chemischen Vergleichsreaktionen ein, um ihre katalytische Aktivität zu messen. Zu guter Letzt wurden aus den vielversprechendsten Kandidaten Elektrolyseur-Prototypen entwickelt, um deren Leistungseigenschaften zu untersuchen.
Nie wieder Versuch und Irrtum?
Die Innovation des Projekts liegt jedoch nicht einzig in der Bestimmung neuer, günstigerer Materialien. Anstatt das traditionelle Laborverfahren nach dem Prinzip von Versuch und Irrtum einzusetzen, entschied sich das Team für künstliche Intelligenz und Computersimulationen in Form einer Materialmodellierungsplattform für Katalysatordesign. „Wir schaffen ein vollständiges Ökosystem aus Simulationen der elektronischen Struktur (Dichtefunktionaltheorie) bis hin zu realen Reaktionen, und wir beziehen Algorithmen des maschinellen Lernens ein, um komplexe Potentialhyperflächen in Bezug auf die Reaktionsenergetik zu optimieren und zu behandeln“, erklärt Jaakko Akola, Koordinator von CritCat im Auftrag der Universität Tampere. Er fährt fort: „Die Plattform benötigt zunächst Eingabedaten der Dichtefunktionaltheorie, so dass damit die Algorithmen zur Vorhersage von Potentialhyperflächen trainiert werden können. Der nächste Schritt ist die Einführung weiterer Algorithmen des maschinellen Lernens, um die charakteristischen Eigenschaften (Deskriptoren) zu bestimmen, die eng mit der katalytischen Aktivität verbunden sind. Wird die Datenbank auf Basis der Dichtefunktionaltheorie größer, nimmt auch die Fähigkeit der Plattform zur Vorhersage der Eigenschaften neuer Materialien zu.“
Auf dem Weg zu Energielösungen auf Wasserstoffbasis
Der Projektprototyp des Elektrolyseurs ist ein wichtiger Schritt in Richtung der umweltfreundlichen Energieerzeugung auf der Basis von weltweit häufig vorkommenden Materialien. Er könnte zum Beispiel möglicherweise das Problem der unregelmäßigen Verfügbarkeit von Sonnen-/Windenergie lösen, indem Elektrizität in Wasserstoff umgewandelt wird. Auch die projekteigene Modellierungsplattform hat noch nicht ihr vollständiges Potenzial entfaltet. Auch wenn die Modellierungsplattform noch nicht effektiver als das Prinzip von Versuch und Irrtum geworden ist, lässt sie die Tatsache, dass ihre Vorhersagekraft mit der wachsenden Datenbank der untersuchten Materialien und der Weiterentwicklung der Werkzeuge mit maschinellem Lernen zunimmt, zum einen sehr vielversprechend erscheinen. Das gewonnene Wissen über die Chemie kann anders als beim Prinzip von Versuch und Irrtum auch später wiederverwendet werden. Zweitens hat das Team, wie Akola betont, bislang nur an der Oberfläche möglicher Anwendungen gekratzt: „Die Plattform ist in erster Linie auf die Wasserstoffentwicklungsreaktion abgestimmt worden, die für die Erzeugung von Wasserstoffenergie durch Wasserspaltung relevant ist. Unser Ziel bestand jedoch darin, eine Modellierungsinfrastruktur zu schaffen, die sich – sowohl in Bezug auf die Gasphase als auch die Elektrochemie – problemlos auf andere chemische Reaktionen anwenden lässt.“ Genau damit beschäftigt sich das Projektteam seit dem Abschluss von CritCat im Juni 2019. Derzeit arbeitet die Gruppe an Katalysatoren und Prototypvorrichtungen für Brennstoffzellen sowie an der Umwandlung von CO2 in synthetische Kraftstoffe.
Schlüsselbegriffe
CritCat, Katalysator, Seltenerdmetall, weltweit häufig vorkommend, auf der Erde reichlich vorhanden, Platingruppenmetalle, Übergangsmetall, Wasserstoff, Energieumwandlung, Modellierungsplattform
