FORSCHUNG — 129 Abb. 2. Schema der Herstellung von Kohlenstoff/Polymerkompositen (oben), CO2-Sorptionsisothermen und elektrochemische CO2-Reduktion (unten). Bild: AG Oschatz In der heterogenen Katalyse werden unter Einsatz verschiedener Energieformen und geeigneter Katalysatoren Stoffumwandlungen vollzogen. Besonders nachhaltig ist dabei der Einsatz elektrischer Energie oder von Lichtenergie, so wie es in der Elektro- bzw. Photokatalyse der Fall ist. Eine zentrale Reaktion, welche in der AG Oschatz betrachtet wird, ist die elektrochemische Reduktion des chemisch inerten Gases Stickstoff zu Ammoniak, mit dem Ziel, die seit etwa einem Jahrhundert angewandte und extrem energie- und CO2intensive Haber-Bosch-Synthese um eine dezentrale Option zu ergänzen [4]. Dabei möchte man auf den Einsatz seltener Metalle verzichten, indem Verbundstoffe aus Kohlenstoff und ionischen Flüssigkeiten oder Polymeren hergestellt werden, an deren Grenzfläche das Stickstoffmolekül katalytisch aktiviert und somit dessen Weiterreaktion zu Ammoniak erleichtert wird. Dieses Konzept hat sich bereits bei einer weiteren wichtigen Reduktionsreaktion, nämlich der von CO2 zu wertgesteigerten Molekülen wie Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoffen, bewährt (Abb.2). Durch Kompositbildung mit stickstoffreichen, hochpolaren Polymeren wird CO2 bevorzugt adsorbiert und anschließend zu Folgeprodukten umgewandelt. Weiterhin stehen die photokatalytische Synthese Elektro- und photokatalytische Reaktionen von Wasserstoffperoxid und die elektrochemische Reduktion von Nitrat [5] für die Wasserreinigung im Fokus der Forschung. [4] Zhang, W., Zhan, S., Qin, Q., Heil, T., Liu, X., Hwang, J., Ferber, T. H., Hofmann, J. P., Oschatz, M., Small, 2022, 18, 2204116. [5] Zhang, W., Zhan, S., Xiao, J., Petit, T., Schlesiger, C., Mellin, M., Hofmann, J. P., Heil, T., Müller, R., Leopold, K., Oschatz, M., Adv. Sci., 2023, 10, 2302623 . Grenzflächenphänomene an porösen Materialien Nähern sich die Porengrößen eines Kohlenstoffs der Größe kleiner Gas- und Flüssigkeitsmoleküle an, kann eine Reihe interessanter Adsorptionseigenschaften beobachtet werden [6]. So herrschen beispielsweise im Innern einer nanometergroßen Pore Drücke, die den Atmosphärendruck um ein Vielfaches überschreiten, was in der AG Oschatz unter anderem für den Einsatz in Wasserstoffspeichern untersucht wird. Der Transport dieses für die Energiewende zentralen Gases erfolgt aktuell mehrheitlich in Hochdrucktanks oder in verflüssigter Form und seltener, da weniger reversibel, als chemisch an sogenannte Hydrate gebundener Wasserstoff. Inspiriert von in der Natur vorkommenden Methanclathraten ist es Ziel unserer Herangehensweise, den hohen Druck innerhalb der Kohlenstoffpore zu nutzen, um den Wasserstoff in Eiskristallen in der Pore zu speichern und auf diese Weise hohe Speicherdichten und eine gute Reversibilität zu erreichen. [6] Wu, B., Amargianou, F., Förster, J. D., Pöhlker, C., Rauch, T. G., Wong, D., Schulz, C., Seidel, R., Weigand, M., Oschatz, M., Petit, T., Adv. Funct. Mater., 2024, 34, 2406528. Abb. 3. Wasserdampfsorptionsisothermen zeigen die hohe Wasserdampfaufnahme eines porösen Kohlenstoffs, welcher für Wasserstoffspeicherung in Betracht kommt. Bild: AG Oschatz
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