Auf dem Weg zur sauberen Katalyse

Pionierarbeit in der Wissenschaft leisten und Antworten auf Zukunftsfragen finden – bei dieser Aufgabe unterstützt der Europäische Forschungsrat (European Research Council – ERC) jähr­lich junge Forschende mit einem ERC Starting Grant. Dieser stellt bis zu 1,5 Millionen Euro für fünf Jahre zur Verfügung, um einer innovativen Projektidee zu folgen. Eine solche begehrte Förderung erhält in diesem Jahr Prof. Dr. Martin Oschatz von der Universität Jena, wie der ERC heute bekanntgegeben hat. Der Chemiker möchte im Rahmen des nun geförderten Projekts „CILCat” die Katalyse, die in Jena begründet wurde, revolutionieren.

„Das ist eine große Auszeichnung für meine Gruppe und mich“, freut sich Professor Martin Oschatz über die Förderung. Mit den Drittmitteln in Höhe von ca. 1,5 Mil­lionen Euro will er insbesondere Stellen für zwei Postdocs und vier Promovierende finan­zieren. „Wir haben mit Herrn Oschatz einen in Forschung und Lehre sehr aktiven Wissen­schaftler gewonnen. Die Auszeichnung mit dem ERC Starting Grant bestätigt das auf höchstem europäischen Niveau. Wir freuen uns schon auf die Reali­sierung der erstklassigen Forschungsideen durch das Oschatz-Team“, würdigt Prof. Dr. Ge­org Pohnert, Vizepräsident für Forschung der Universität Jena, den Erfolg des 34-jährigen Kollegen, der seit dem vergan­genen Wintersemester in Jena forscht.

Konzepte für die Kata­lyse von morgen entwickeln

In seinem innovativen Projekt will Oschatz zukunftsträchtige Konzepte für die Kata­lyse ent­wickeln „und dabei auch unkonventionelle, vollkommen neue Ideen verwirklichen. Neue Her­ausforderungen im Bereich Energie und Umwelt brauchen zuerst neue physikalisch-chemi­sche Ansätze, um gelöst zu werden“, sagt Martin Oschatz. Und dafür ist der junge Chemiker in Jena genau am richtigen Ort. Denn hier legte Johann Wolfgang Döbereiner schon vor 200 Jahren die Grundlagen für das, was wir heute als Katalyse bezeichnen. Auf dem Prinzip der Katalyse beruht die Herstellung fast aller Grundchemikalien und ihrer Folgeprodukte. Die Ent­wicklung neuer Katalyseformen und Katalysatoren hat immer wieder zu großen Veränderun­gen in technisch-chemischen Prozessen geführt und in vielen Fällen die Herstellung eines be­stimmten Produktes erst möglich gemacht. Das Prinzip der sogenannten heterogenen Kata­lyse beruht darauf, dass sich kleine Teilchen wie Moleküle oder Ionen an den Oberflächen fes­ter Stoffe binden. Die Teilchen werden durch diese Wechselwirkung „aktiviert“, d. h. ihre Umwandlung in andere Stoffe wird beschleunigt, wie man es etwa beim Katalysator aus dem Auto kennt, der die Abgase chemisch in ungefährliche Stoffe umwandelt.

Katalyse ohne seltene oder giftige Metalle

„Oftmals sind für katalytische Prozesse aber seltene Metalle nötig. Darüber hinaus können die Teilchen nur an ganz bestimmten Zentren an der Oberfläche binden. Zudem sind die Ober­flächen der Metalle begrenzt“, beschreibt Prof. Oschatz einige Herausforderungen, die er in seinem Forschungsprojekt angehen will. Er will mit seinem Team das Konzept von einzel­nen katalytisch aktiven Zentren zu einer insgesamt katalytisch aktiven Oberfläche weiterent­wi­ckeln und das ganz ohne seltene, teure oder giftige Metalle. „Wir wollen dies erreichen, in­dem wir quasi ,künstliche Bindungszustände‘ von Molekülen zwischen den Oberflächen nach­haltiger poröser Kohlenstoffmaterialien und darauf befindlicher Flüssigkeiten, die aus Ionen bestehen, erzeugen“, beschreibt der Jenaer Chemiker die Idee von CILCat. „Um dies zu verwirklichen, werden wir uns die Aktivierung von Stickstoff, einem sehr reaktionsträgen Mo­le­kül, vornehmen. Als Produkt soll dann mit Hilfe von Wasser und Strom aus erneuerbaren Energien Ammoniak gewonnen werden, der dann weiter zu Düngemittel oder Grundchemi­kalien verarbeitet werden kann, die etwa zur Herstellung von Medikamenten dienen“, nennt Oschatz das Ziel und die damit verbundenen Hoffnungen, die Chemie und ihre Prozesse nachhaltiger und ungefährlicher zu gestalten.

Hintergrund: Wasserspaltung und Ammoniaksynthese im Reaktor

Seit rund 100 Jahren wird Ammoniak mit dem Haber-Bosch-Verfahren bei hohen Drücken syn­thetisiert. Dabei wird Wasserstoff, der durch Erhitzen von Erdgas abgespalten wird, mit Stickstoff verbunden – für beide Vorgänge sind hohe Temperaturen notwendig. Martin Oschatz entwickelt bei seinen Forschungen Materialien für Katalysatoren, durch die diese Prozesse auch elektroche­misch bei Raumtemperatur stattfinden können. So kann der Ener­gieeintrag durch elektri­schen Strom erfolgen und so modifiziert werden, dass Wasser an­stelle von Wasserstoff als Ausgangsstoff eingesetzt werden kann. Wasserspaltung und Am­moniaksynthese könnten dann in einem Reaktor kombiniert werden, was die Kosten deutlich senkt; und die Ammoniak-Synthese würde ein Jahrhundert nach ihrer Etablierung einen be­acht­lichen Entwicklungsschritt machen.

Ein TV-Beitrag des MDR zu diesem Projekt ist hierExterner Link zu finden.