Wenn sich Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser verbinden, wird Energie frei. Das nutzt man in Brennstoffzellen zur Stromproduktion. Ein wesentliches Problem dabei ist allerdings die Aufbewahrung des benötigten Wasserstoffs, daher versucht man, Wasserstoff in Form von Methanol zu speichern, und das Methanol dann wieder in Wasserstoff und Kohlendioxid zu zerlegen. Das gelingt mit speziellen Metall-Katalysatoren, die an der TU Wien untersucht werden. 

Lange Zeit war unklar, welche Atome und Moleküle auf der Katalysator-Oberfläche überhaupt eine wichtige Rolle spielen. Verschiedene Messungen zeigen nun: Entscheidend ist das Zusammenspiel aus Metallen und Metalloxiden. Karin Föttinger und Christoph Rameshan, beide am Institut für Materialchemie der Technischen Universität Wien (TU) tätig, erhielten für Arbeiten dazu jeweils einen Forschungspreis.

Schädliches Kohlenmonoxid

Methanol ist das kleinste Alkoholmolekül und wird in großen Mengen industriell hergestellt. In Zukunft könnte die Verbindung eine wichtige Rolle als Energieträger spielen: Denn wenn es gelingt, Methanol effizient und umweltfreundlich in Wasserstoff und CO2 umzuwandeln, kann aus dem Wasserstoff in einer Brennstoffzelle saubere Energie gewonnen werden. Die sogenannte Dampfreformierung, bei der aus Methanol mit Wasserdampf Kohlendioxid und Wasserstoff entsteht, läuft allerdings nur mit Hilfe bestimmter Katalysatoren ab, wie etwa mit Metall-Nanopartikeln auf Oxid-Oberflächen.

Das Ziel ist, aus Methanol und Wasserdampf ein möglichst reines Gemisch von CO2 und molekularem Wasserstoff herzustellen. Kohlenmonoxid soll darin nicht enthalten sein, weil das den Brennstoffzellen schaden würde. Die Kohlenmonoxid-Konzentration im Produktgas hängt ganz entscheidend von der Art des verwendeten Katalysators ab.

Spektroskopische Detailanalyse

An der TU Wien werden diese katalytischen Vorgänge im Rahmen des Spezialforschungsbereichs "Functional Oxide Surfaces and Interfaces" (FOXSI) unter der Leitung von Günther Rupprechter vom Institut für Materialchemie untersucht. Die Prozesse, die an der Katalysatoroberfläche ablaufen, seien sehr kompliziert, sagt Föttinger: "Unterschiedliche Atom- und Molekülsorten sind beteiligt, und oft ist schwer zu sagen, welche für die Reaktion wichtig sind, und welche eine untergeordnete Rolle spielen."

In der Industrie versucht man, solche Prozesse nach dem Prinzip "Versuch und Irrtum" anzupassen, die Zusammensetzung der Katalysatoren oder Parameter wie Druck und Temperatur zu verändern. An der TU Wien geht man einem anderen Ansatz nach: Die Forscher untersuchen mit modernen spektroskopischen Methoden, wie die Reaktionen am Katalysator im Detail ablaufen. Schließlich werden die einzelnen Komponenten des Katalysators getrennt und in Modellsystemen einzeln analysiert.

Zwei Forschungspreise

Oft werden als Katalysatoren winzige Nanopartikel aus Metall verwendet, etwa aus Palladium. Diese Partikel werden auf Metalloxid-Oberflächen, zum Beispiel Zinkoxid gesetzt. Höchst umstritten war in den letzten Jahren die Frage, ob das Reinmetall oder das Oxid für die Katalyse zuständig ist. "Unsere Messungen zeigen: Man braucht beides", erklärt Föttinger. "Das Oxid ist wichtig für die Wasseraktivierung, für die Aufspaltung der Wassermoleküle. Das Metall hingegen ist wichtig für die Aufspaltung des Methanols", ergänzt Rameshan.

Diese Erkenntnisse sollen nun dazu genutzt werden, die Katalysatoren zu verbessern, indem man beispielsweise durch Nanostrukturierung die Metall-Oxid-Grenzfläche optimiert. Für ihre Arbeiten wurden die beiden Wissenschafter nun mit zwei Forschungspreisen ausgezeichnet: Föttinger bekam Ende April den Theodor-Körner-Förderungspreis und kann damit zusätzliche Geräte für weitere Forschungen finanzieren. Rameshan wurde der "Gerhard Ertl Young Investigator Award 2014" zugesprochen, der jährlich vom Fachjournal "Surface Science" vergeben wird. (red, derStandard.at/APA, 5.5.2014)