ERC-Grant: Bessere Katalysatoren für eine bessere Umwelt

Christoph Rameshan von der TU Wien wurde letzten Herbst mit einem hochdotierten ERC-Grant ausgezeichnet. Er erforscht neue Technologien mit denen man bessere Katalysatoren herstellen kann.

Für eine umweltfreundliche Energiewende braucht es viele neue Ideen: Bessere Brennstoffzellen, leistungsfähigere Batterien, effizientere Solarzellen oder auch neue Methoden der Wasserelektrolyse zur Herstellung von Wasserstoffgas. All diese Technologien haben eine wichtige Gemeinsamkeit – sie beruhen auf Elektrochemie, auf neuen Materialien und modernen Katalysatoren.
Genau damit beschäftigt sich Christoph Rameshan vom Institut für Materialchemie der TU Wien. Er wurde zuletzt mit einem ERC-Starting-Grant ausgezeichnet, einer der höchstdotierten Forschungsförderungen Europas. In den nächsten fünf Jahren wird er nun eine eigene Forschungsgruppe aufbauen und untersuchen, wie sich die Herstellung und die Eigenschaften von Katalysatoren gezielt verbessern lassen.

Nanopartikel auf der Kristalloberfläche
„Für viele Anwendungen braucht man heute Oberflächen, die mit katalytisch aktiven Nanopartikeln versehen sind“, erklärt Rameshan. „Die Nanopartikel sorgen dafür, dass wichtige chemische Reaktionen viel schneller oder effizienter ablaufen, als das sonst möglich wäre.“ Es gibt unterschiedliche Methoden, diese Nanopartikel auf einer Oberfläche aufzubringen. Am besten ist es allerdings, die Partikel direkt an der Oberfläche aus dem Trägermaterial selbst entstehen zu lassen. „Dazu legt man eine elektrische Spannung am Katalysator an, und dann wachsen diese Nanopartikel aus der Kristalloberfläche heraus“, erklärt Rameshan. „Das ist extrem zeit- und kosteneffizient.“
„Wir verwenden Oberflächen aus Perowskit, eine Kristallfamilie, die durch ihre Vielseitigkeit ein hohes Potenzial in der Katalyse hat. Um genau die richtigen Nanopartikel herzustellen, kontrollieren wir die Temperatur und die Zusammensetzung des umgebenden Gases. Gleichzeitig legen wir an die Perowskit-Oberfläche eine elektrische Spannung an“, sagt Christoph Rameshan. Durch die richtige Auswahl all dieser Parameter erhält man eine bisher unerreichte Kontrolle über die Größe und die räumliche Verteilung der entstehenden Nanopartikel. Auch die Art, wie sie in der Kristalloberfläche verankert sind, lässt sich steuern – und all das wiederum beeinflusst ihre Effizienz als Katalysatoren.

Genaue Analyse schon bei der Herstellung
„Wichtig ist es uns, nicht nur verschiedene Herstellungsvarianten auszuprobieren, sondern ganz gezielt auf molekularer Ebene die Mechanismen zu verstehen, die eine Oberfläche zu einem besseren oder weniger guten Katalysator machen“, betont Rameshan. „Mit verschiedenen modernen Analysemethoden können wir die Oberflächen bereits während des Herstellungsprozesses untersuchen – genau das ist unsere Spezialität in unserer Forschungsgruppe. Nur so lässt sich der Zusammenhang zwischen der atomaren Struktur von Katalysatoren und ihrer Reaktivität genau verstehen und gezielt verbessern.“
Ein wichtiger Schlüssel zum Erfolg soll die Verknüpfung verschiedener Forschungsbereiche sein: „Wir verbinden Oberflächenforschung, Elektrochemie und Katalyse“, sagt Christoph Rameshan. „Das hängt zwar alles eng miteinander zusammen, trotzdem gibt es in diesem Bereich noch zu wenig interdisziplinäre Zusammenarbeit. Das wollen wir ändern.“ Die TU Wien bietet gute Voraussetzungen dafür –„Materials and Matter“ einer der fünf Forschungsschwerpunkte der Universität, und die Idee für das Projekt stammt aus dem an der TU Wien angesiedelten SFB FOXSI, in dem diese interdisziplinäre Zusammenarbeit bereits voll gelebt wird. „Von numerischen Computersimulationen auf Quantenniveau bis hin zu modernen Messgeräten – viele wichtige Voraussetzungen für unser großes Ziel haben wir direkt hier im Haus zur Verfügung, das macht die Sache natürlich einfacher“, meint Rameshan.