Abwarten und Tee trinken im Katalysator-Labor
Die Langzeitstabilität von Katalysatoren ist ein dringendes Anliegen in industriellen Prozessen. Prof. Dr. Franziska Heß forscht zur Vorhersage des Verlustes der Katalysatoraktivität. Seit Ende April 2020 vertritt die Juniorprofessorin das Fachgebiet „Chemische Katalyse“ am Institut für Chemie der Fakultät II Mathematik und Naturwissenschaften an der TU Berlin.
Wo liegen Ihre Forschungsschwerpunkte und Forschungsinteressen?Gibt es Fragen, die Sie besonders antreiben?
Franziska Heß: Ein großer Schwerpunkt in meiner Forschung ist die Analyse und Vorhersage von Katalysatordegradation, also dem Verlust der Katalysatoraktivität. Dieses Thema liegt mir besonders am Herzen, da eine fehlende Langzeitstabilität von Katalysatoren oft ein Problem bei der technischen Umsetzung ist. Die Langzeitstabilität ist aber schwierig experimentell zu untersuchen, und es gibt dafür auf theoretischer Ebene bisher keine etablierten Methoden. Langfristig sind solche Methoden aber nötig, um funktionale Katalysatormaterialien zu entwickeln.
Können Sie ein allgemein bekanntes Beispiel nennen, wo die Langzeitstabilität von Katalysatoren besonders wichtig ist?
Das bekannteste Beispiel ist tatsächlich der Autoabgaskatalysator. Jeder, der schon länger ein Auto fährt, weiß, dass das Auto irgendwann die Abgasuntersuchung nicht mehr bestehen wird und dann der Katalysator ausgetauscht werden muss. Das wird teuer. Bei einem industriellen Prozess ist es im Prinzip genauso, nur größer.
Was war Ihr interessantestes oder spannendstes Forschungsprojekt?
Die Untersuchung, wie sich Fremdatome an der Oberfläche anreichern oder verarmen, wenn in ein Halbleiterkristall gezielt Störstellen eingebracht werden, um die Leitfähigkeit zu verändern, die sogenannte Segregation von Dotierungen, in Elektroden von Festoxid-Brennstoffzellen.
Festoxid-Brennstoffzellen sind Hochtemperatur-Brennstoffzellen, die bei einer Betriebstemperatur von 650 bis 1000 °C eingesetzt werden. Diese Hochtemperatur-Brennstoffzelle hat einen höheren Wirkungsgrad als die Niedertemperatur-Brennstoffzelle und eignet sich für einen längeren Dauerbetrieb unter stabilen Lastbedingungen. Sie kann zum Beispiel den Pkw-Antrieb ersetzen. Dotierung wird bei Brennstoffzellelektroden angewandt, um Sauerstoffleerstellen im Kristallgitter zu erzeugen, die eine Sauerstoffionenleitfähigkeit ermöglichen. Dieses Projekt hat sehr viele verschiedene Aspekte, die ich berücksichtigen musste, um das gesamte Phänomen zu verstehen.
Wie erfolgt eine Segregation, also die Ansammlung von Ablagerungen? Wie lange dauert so ein Prozess?
Segregation in diesem Zusammenhang kann man sich als eine Art Entmischung vorstellen. Im frischen Material sind zwei verschiedene Metallkationen in der Elektrode homogen gemischt. Durch die Segregation reichert sich eines an der Oberfläche an, so wie sich Fett an der Oberfläche einer Suppe absetzt. Da die Oberfläche eigentlich die aktive Komponente der Elektrode ist, führt die Anreicherung je nach Bedingungen möglicherweise schon nach wenigen Stunden zu einer deutlich messbaren Verringerung der katalytischen Aktivität.
Welche wesentliche Erkenntnis haben Sie daraus gewonnen?
Auf Basis meiner Erkenntnisse habe ich mögliche Strategien erarbeitet, um die Elektroden haltbarer zu machen. Eine Möglichkeit ist es, eine Materialzusammensetzung mit leichtem Unterschuss eines Metalls zu wählen. Dadurch wird die Segregation gehemmt, und die Elektrode könnte länger eingesetzt werden.
Welche Funktion haben die Elektroden für die Brennstoffzelle?
Die Elektroden dienen der Aktivierung der Reaktanden, Sauerstoff und Wasserstoff, die als Treibstoff in der Brennstoffzelle dienen, sowie dem Austausch von Elektronen in der elektrochemischen Reaktion, woraus dann Strom gewonnen wird.
Gibt es in Ihren Forschungen Erkenntnisse, die für Sie einen Wendepunkt markieren?
Der Punkt, wo ich angefangen habe, mich für Katalysatorstabilität zu interessieren, war, als ich die elektrochemische Korrosion auf der RuO2(100)-Oberfläche untersucht habe. Ruthenium mit dem Elementsymbol Ru dient als Modellkatalysator für Oxidationsreaktionen, sowie als aktives Elektrodenmaterial zur Spaltung von Wasser. Da gab es jeden Tag ein neues unerwartetes Ergebnis. Dieses Projekt hat mir gezeigt, dass ein Katalysator Nebenreaktionen eingehen kann, die ihn langfristig zerstören, und dass wir einen Zugang zu diesen Reaktionen finden müssen, um Katalysatormaterialien zu verbessern.
Welche Nebenreaktionen können den Katalysator zerstören? Welche ungewollten Auswirkungen hat das für den Einsatz zum Beispiel in der chemischen Industrie?
In der elektrochemischen Wasserspaltung zum Beispiel kommt es zur Bildung eines flüchtigen Moleküls, RuO4, wodurch sich die Elektrode auflöst. Diesen Prozess bezeichnet man als Korrosion. In industriellen Prozessen wird oft nur eine dünne Schicht RuO2 auf ein Trägermaterial aufgebracht, da Ruthenium selten und teuer ist. Durch die Korrosion wird diese Schicht dünner, bis sie irgendwann ganz verschwindet und dann ersetzt werden muss.
Woran arbeiten Sie aktuell?
Ich arbeite aktuell an einem Screeningmodell, das in der Lage ist, stabile Katalysatormaterialien für die HCl-Oxidation im Deacon-Prozess vorherzusagen. Der Deacon-Prozess ist nach dem englischen Chemiker Henry Deacon (1822–1876) benannt, der es im Jahre 1868 zum Patent angemeldet hat. Dabei wird Chlor hergestellt, indem Chlorwasserstoff mit der chemische Summenformel HCI mit Sauerstoff oxidiert. Bekannter ist die wässrige Lösung von Chlorwasserstoff, die Chlorwasserstoffsäure beziehungsweise einfach Salzsäure.
Welches Ziel verfolgen Sie mit dem Screeningmodell?
Das Screeningmodell dient dazu, aus einer großen Auswahl von möglichen Katalysatoren einige vielversprechende Kandidaten auszuwählen, die stabil und aktiv sein könnten. Dadurch, dass wir zuerst auf Basis von Theorie eine Vorauswahl treffen, sparen wir uns viel Aufwand beim späteren experimentellen Testen der Kandidaten.
Haben Sie ein Lieblingszitat oder ein Lebensmotto?
„Abwarten und Tee trinken“, im wörtlichen sowie im übertragenen Sinn.
Gibt es ein Buch, das Sie empfehlen möchten?
„Sternstunden der frühen Chemie“ von Ernst F. Schwenk. Was aus meiner Sicht interessant ist, ist, dass die frühe Chemie, auch Alchemie genannt, natürlich einerseits durch die Suche nach dem Stein der Weisen war, darüber hinaus aber im Wesentlichen ein Mittel für Taschenspielertricks war. Viele dieser Tricks findet man noch heute in unseren Weihnachts- und Schauvorlesungen. Die Chemie als Wissenschaft gab es zu dieser Zeit noch nicht. Alchemie folgte zwar festen Regeln, war aber unerklärlich: Wenn ich bestimmte Komponenten zusammenbringe, entstehen Funken oder die Farbe ändert sich. Doch niemand wusste, warum das so ist. Das Buch beschreibt durch ausgewählte Biografien die Entwicklung der Chemie von einem Mysterium zu einer modernen Wissenschaft.
Was wäre ohne Corona anders?
Wegen Corona wird man in die Aufgaben als Juniorprofessorin hineingeworfen. Es gibt keinen Kurs: „Wie wird man Professor?“ Mein Termin zur schriftlichen Beurkundung der Professur hat sich zum Beispiel wegen Corona nach hinten verschoben. Und man kann nicht so leicht spontan jemanden ansprechen. Informelle Hinweise fehlen, auf die man im spontanen Gespräch kommt.
Und was zeigen Ihre Erfahrungen: Wie wird man Professor*in?
Es gibt das Young Academics Network für Nachwuchsgruppenleitungen an der TU Berlin, an der Juniorprofessor*innen, Nachwuchsleiter*innen von DFG-geförderter Projekten und Stipendiat*innen teilnehmen. Prof. Dr. Johannes Teichert, Juniorprofessor am Institut für Chemie, kümmert sich um das Netzwerk. Wir haben uns im September 2020 im Biergarten getroffen. Das bietet eine Möglichkeit zum Austausch. Die Gruppe setzt sich zwar aus unterschiedlichen Leiter*innen zusammen, aber alle haben ähnliche Probleme. Ansonsten muss man sich durchfragen.
An meiner Arbeit bei der TU Berlin gefällt mir besonders, …
… dass die Studierenden sehr motiviert und interessiert sind.
Das Gespräch führte Christina Camier.