Wenn Unordnung zur Lösung unserer Energieprobleme beiträgt

Hochentropie-Oxide, oder auch sogenannte ungeordnete Kristalle, sind ein sehr junges Forschungsgebiet, in dem es noch viel zu entdecken gibt. Jungforscherin Amy Knorpp sieht in diesen Materialien ein enormes Potential für katalytische Systeme speziell bei der Umwandlung von CO₂ und Wasserstoff zu Methanol. Denn Methanol ist ein wichtiger chemischer Grundstoff, der in unserer Gesellschaft in vielen Formen verwendet werden kann – zum Beispiel für Treibstoffe. Um synthetisches Methanol im grossen Stil erzeugen zu können, braucht es jedoch robustere und effizientere Katalysatoren, als zurzeit vorhanden sind. «Ungeordnete Kristalle stellen ein potenzielles Material für diese begehrten Katalysatoren dar. Einerseits kann ihre extreme Unordnung neue Dimensionen der Stabilität in katalytischen Prozessen bringen, was zu einer längeren Lebensdauer des Katalysators führt. Andererseits lässt sich ihre Chemie sehr gut anpassen, um sowohl Defekte als auch Synergien zwischen verschiedenen Elementen zu erzeugen», erklärt Amy Knorpp. Konkret werden in Hochentropie-Oxiden dafür einzelne Positionen innerhalb der genau geordneten Strukturen eines Kristalls durch fremde Elemente ersetzt. Bei einem Mix aus mindestens fünf verschiedenen Elementen können aussergewöhnliche Eigenschaften erwartet werden. Wissenschaftler sprechen dann gerne vom so genannten Cocktaileffekt. Eine entscheidende Eigenschaft eines erfolgreichen Katalysators ist, dass er die Herstellung von Methanol gegenüber anderen Kohlenwasserstoffen bevorzugt. Die gezielte Veränderung bestimmter Stellen in einem Kristall, wie bei Hochentropie-Oxiden, kommt genau dem zugute, indem das CO₂ effizient aktiviert und H₂ in einer günstigen Anordnung dissoziiert wird.

Licht ins Dunkel bringen

Doch auf dem Weg dahin sind noch viele Fragen unbeantwortet. Amy Knorpp und die Projektgruppe «Nanopowers and ceramics», unter der Leitung von Michael Stuer, untersucht nun systematisch die verschiedenen Veränderungen, die zu einer neuen Vielfalt von ungeordneten Kristallen führen. Dabei wollen sie unter anderem die Frage beantworten, wie effizient diese neuen Materialien als Katalysatoren funktionieren und wie lange sie halten. «Daraus soll eine Art Landkarte für die systematische Veränderung von Kristallen entstehen mit dem Ziel, die ‹ideale Unordnung› im Kristall zu erzeugen. Dieses Projekt dient der Grundlagenforschung und wird Licht ins Dunkel bringen», erläutert «Empa Young Scientist Fellow» Amy Knorpp.

Talentförderung an der Empa

Das «Empa Young Scientist Fellowship» ist ein Förderinstrument für aussergewöhnlich begabte Nachwuchs-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler. Der Fellow erhält die finanziellen Mittel, während zwei Jahren ein eigenständiges Forschungsprojekt durchzuführen. Die Fellowships werden von der Empa in einem Wettbewerbsverfahren vergeben, um sicherzustellen, dass die Anträge mit dem höchsten Potenzial ausgewählt werden.