Katalysatoren für Energiewende, Wasserstoff und Co. Kata-Stimmung: Wie die Katalyse die Welt retten soll

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Energiewende, Kreislaufwirtschaft, neue Heilmittel und die Ernährung der Zukunft – all das scheint ohne Chemie nicht möglich. Gut, dass es die ‚Mutter der Industrien‘ gibt – doch auch die braucht ihre Möglichmacher. Retten Katalysatoren die Welt für uns? Eine neue Roadmap soll die Forschungsmarschrichtung festlegen – PROCESS fasst den Inhalt zusammen…

Hunger, Durst, kalt… was klingt, wie die Klage eines Kindes auf der Autorückbank während einer langen Urlaubsfahrt sind zentrale Themen der Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen. Dazu kommen – natürlich – Umwelt und Klimaschutz genauso wie Gesundheit und Kreislaufwirtschaft. Was das mit der Chemie zu tun hat? Die soll es Mal wieder richten – schließlich wird sich kaum eines dieser Ziele ohne die „Mutter der Industrien“ (Solvay-CEO Ilham Kadri) erreichen lassen. Daher stehen also Themen wie „Bezahlbare und saubere Energie“ und „Nachhaltiger Konsum und Produktion“ plötzlich auf der Agenda von Chemikerinnen und Chemikern. Doch wenn die Chemie neue Wege gehen soll, braucht es auch neue Reaktionen – und damit Katalysatoren, die diese möglich machen.

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Entsprechend stehen mehrere dieser Ziele ganz am Anfang der aktuellen Roadmap der Deutschen Katalyseforschung: Ob Wasser elektrokatalytisch in Wasserstoff und Sauerstoff gepalten werden soll, Power-to-X-Kraftstoffe buchstäblich aus Luft und Sonnenlicht entstehen oder chemische Recyclingverfahren der Traum von der Cradle-to-Cradle-Wertschöpfung Wirklichkeit werden lassen: Katalysatoren sind der neue Stein der Weisen, scheint es. Doch der Weg dahin ist weit. Gut, wenn sich da auch die Katalyse weiterentwickelt: Neben der hinlänglich bekannten katalytischen Reaktion an Oberflächen, der molekularen Katalyse und der Biokatalyse mittels Enzymen drängen Sub-Disziplinen wie die Elektro- und Photokatalyse oder die Organokatalyse ins Rampenlicht. Wen wundert es da, dass 2022 der Chemienobelpreis mit Benjamin List und David MacMillan an zwei Katalysator-Forscher ging? „Wahrscheinlich die wichtigste Technologie der Menschheit“, nannte der Nobelpreisträger List die Katalyse.

Dabei steht die Katalyse für die Forscherinnen und Forscher nicht allein: Erst in Zusammenarbeit mit anderen Disziplinen wie der Biologie, Materialwissenschaften oder der Verfahrenstechnik entfalten die „Möglichmach-Moleküle“ ihre ganze Wirkung. Also – so die Katalysespezialisten – muss auch die Forschung und Entwicklung über den Tellerrand hinaussehen – ein fundamentales Verständnis atomarer und molekularer Wirkmechanismen ist zwar Voraussetzung, aber eben nicht alles. Auch die veränderlichen Strukturen fester Katalysatoren oder von Enzymen bis hin zu komplexen Reaktionen und Prozessen müssen betrachtet werden, wenn die Chemie wirklich das ganz große Rad drehen will.

Wo also ist akuter Handlungsbedarf und wie kann sich die Forschung positionieren, damit Katalysatoren auch in Zukunft ihre Rolle als Problemlöser spielen können? Mit diesen Fragen beschäftigt sich die Roadmap der Deutschen Katalyseforschung. Zwischen kurzfristigen Impulsen, mittelfristigen Forschungsgebieten und -Zielen sowie langfristigen Visionen wollen die Macher des Strategiepapiers die Katalyse-Community in Deutschland ansprechen, aber auch für Forschungsförderung die Trommel rühren: „Mit der Roadmap legen wir den Grundstein für die Nutzung der Katalyse in all ihren Facetten und Anwendungsbereichen für eine nachhaltige Wirtschaftsentwicklung“, so Prof. Dr. Roger Gläser, Universität Leipzig, Leiter des Core Teams der Roadmap und Vorsitzender der German-Catalysis-Society-Kommission.

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Konkret haben die Strategiemacher sechs Gebiete identifiziert, darunter:

• Energiewende und Wasserstoffwirtschaft: Hier soll die Katalyse eine Schlüsselrolle bei der Erzeugung und Speicherung von Wasserstoff, etwa in chemischen Speichern spielen. Dazu gehört auch der Komplex der Power-to-X-Verfahren.

• Transformation von Fossilen Rohstoffen zu einem Kohlenstoffkreislauf: Katalysatoren sollen, geht es nach den Machern der Roadmap, eine Schlüsselrolle für den Umbau der „linearen“ Chemie (also einer Industrie, die in mehrschrittigen Verfahren aus fossilen Kohlenwasserstoffen Produkte fertigt) zu perspektivisch geschlossenen Stoffkreisläufen, spielen. Den Kats kommt dabei etwa bei der Nutzung alternativer Kohlenwasserstoffe (etwa biogener Rohstoffe) oder effizienter und selektiver Recyclingverfahren spielen.

• Klima- und Umweltschutz: Es ist kein Wunder, dass die meisten Menschen beim Begriff Katalysator wahrscheinlich als erstes an den 3-WegeKat im PKW denken. Katalysatoren können bei der Aufbereitung oder Reinigung von Abgasen und Reststoffen genutzt werden – ein Einsatzgebiet, dass sich perspektivisch mit der Nutzung alternativer Rohstoffe und Energieträger verändern wird.

• Nachhaltige Funktionschemikalien: Auch Waschmittel, Pharmazeutika, Kleber, Nahrungs- oder Futtermittel sollen in Zukunft nachhaltig werden und auch die dafür notwendigen Verfahren benötigen – man ahnt es schon – Katalysatoren.

• Digitalisierung: Dieser Aspekt betrifft weniger die Katalysatoren selbst als die Potenziale der Digitalisierung für Forschung, Entwicklung, Verfahrens- und Prozesstechnik. Die Chemie-Experten wollen in Zukunft mit der “Digitalen Katalyse“ auch den chemischen Reaktionen von Molekülen zur Produkten eine Art digitalen Zwilling zur Seite zu stellen.

• Experimentelle und theoretische Werkzeuge für die Katalyseforschung: Chemie ohne Experimente ist nicht vorstellbar – daher befasst sich die Roadmap Katalyseforschung auch mit Methoden und Werkzeugen aus Chemie, Biologie aber auch künstlicher Intelligenz.

Schon aus dieser Auflistung wird das enorme Potenzial der Katalyse deutlich – aber auch die Herausforderungen. So nutzen nicht wenige (unter anderem in der Wasser-Elektrolyse verwendeten) Katalysatoren Edelmetalle: Ein Ziel der Forscherinnen und Forscher ist es, die nötige Menge zu reduzieren oder alternative Materialien zu finden. Eine andere typische Forderung ist die nach möglichst langen Katalysator-Standzeiten, langsamen Alterungsvorgängen und einfacher Regeneration – hier könnten neue räumliche Strukturen und Legierungen helfen, so die Kat-Experten. Dann wäre da noch da Dauerthema Selektivität: Ganz egal, ob Power-to-X-Kraftstoffe hergestellt werden sollen, chemisches Recycling die Kreislaufchemie ermöglichen soll oder ganz neue Produkte gefragt sind, Katalysatoren sollen natürlich nach Möglichkeit nur die Reaktion beschleunigen, die auch das erwünschte Produkt erzielt. Ach ja, möglichst aktiv sollen die gesuchten Kats natürlich auch sein…

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Ganz schön viel zu tun – aber damit chemische Reaktionen schnell, effizient und spezifisch ablaufen, braucht es Katalysatoren. Reaktionen wiederum braucht es für nahezu allen großen Zukunftspläne, von der Energiewende bis zur Kreislaufwirtschaft. Keine Spur also von Katerstimmung – Aufbruchs- und Pioniergeist sind auch in Forschung und Entwicklung gefragt.

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