„Eine der großen Herausforderungen unserer Zeit besteht darin, die gesellschaftlichen Bedürfnisse an energieabhängigen Technologien zu decken und gleichzeitig im Sinne der Zukunftsgestaltung ein Minimum an natürlichen Ressourcen zu verbrauchen“, so Prof. Dr. Matthias Bauer vom Department Chemie der Universität Paderborn. Ein Lösungsansatz sei die Entwicklung neuer Produktionsprozesse für Treibstoffe und Chemikalien, um die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern wie Öl und Gas zu reduzieren, erklärt der Chemiker. Dieses könne durch das Umwandeln bestimmter natürlicher und erneuerbarer Stoffe geschehen. So zum Beispiel die Gewinnung von molekularem Sauerstoff durch die Reaktion von Wasser und Sonnenlicht.
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung in Berlin (BMBF) und das schwedische Forschungsministerium bewilligen 2.4 Millionen Euro im Rahmen des Röntgen-Ångstrøm-Clusters für die Untersuchung von Katalysatoren bei der Arbeit mit Methoden an Teilchenbeschleunigern. Katalysatoren sind Stoffe, die chemische Reaktionen beeinflussen und beschleunigen. Die Arbeiten stehen im Kontext der Erzeugung und Verwendung von natürlichen Ressourcen für die Deckung des Energiebedarfs unserer Gesellschaft. In dem Projekt sollen durch den Prozess der Katalyse und durch die Verwendung neuer Methoden, die die Verwendung eines Teilchenbeschleunigers beinhalten, nachhaltige Energieformen produziert werden. Prof. Dr. Matthias Bauer ist Leiter dieses Projektes.
Ein Team aus über 20 Wissenschaftlern arbeitet an den Universitäten in Paderborn, Göteborg und Lund sowie an den Teilchenbeschleunigern MAX-IV (Lund) und PETRA III (Hamburg) zusammen. Die deutsch-schwedische Konstellation ist einmalig, da sie ergänzende experimentelle und theoretische Kompetenzen in Katalyse und Oberflächenchemie mit dem Fachwissen in Synchrotron-Experimenten verbindet.
Um diese katalytischen Prozesse zu verstehen und zu verbessern, werden in dem Projekt neue Methoden an Teilchenbeschleunigern entwickelt und etabliert. Diese werden ganz neue Einblicke in die Funktionsweise der eingesetzten Katalysatoren erlauben. Eines der Highlights sei die Installation von zwei Röntgen-Emissions-Spektrometern an den Teilchenbeschleunigern PETRA III (Hamburg) und MAX-IV (Lund).
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Nachfolgend werden die drei katalytischen Prozesse erläutert, die zu der Erzeugung neuer Energien führen.
Als erstes die Gewinnung von molekularem Sauerstoff durch die Spaltung von Wasser durch Sonnenlicht. Molekularer Sauerstoff ist ein wichtiger Treibstoff für den Betrieb von Brennstoffzellen, mit denen zum Beispiel Autos über weite Distanzen fortbewegt werden können. Diese photokatalytische Wasseroxidation kann an Feststoffen und in Lösung durchgeführt werden.
Im zweiten Prozess wird Methanol als wichtiger Baustein der chemischen Industrie aus Bio-Methan, wie es zum Beispiel aus Biogas-Anlagen erhalten wird, gewonnen. Für diese Reaktion werden sogenannte Zeolithe, also mikroporöse Verbindungen, die Eisen enthalten, eingesetzt.
Die dritte Reaktion nutzt das umweltschädliche Abfallprodukt aus Verbrennungsmotoren, Kohlendioxid CO2, um daraus neue Treibstoffe zu erzeugen. Diese CO2-Veredelung birgt das große Potential, die negativen Auswirkungen der Verbrennung fossiler Brennstoffe deutlich zu reduzieren, indem der Klimaschädling CO2 in die Produktion neuer Brennstoffe zurückgeführt wird.
Zusammen mit einer kompletten Infrastruktur für die Untersuchung der genannten Katalysereaktionen werden die Methoden der core-to-core und valence-to-core Röntgen-Emissions-Spektroskopie eingesetzt, die es erlauben, die Katalysatorzentren unter Reaktionsbedingungen bei der Arbeit zu untersuchen und ihre Wirkungsweise aufzuklären.
