Die synthetische Materialchemie kann zum entscheidenden Werkzeug werden, um leistungsstarke Elektrokatalysatoren gezielt zu entwerfen. Ein Übersichtsbeitrag aus dem Team von Dr. Prashanth Menezes, der am HZB die Abteilung für Materialchemie für Katalyse leitet, beschreibt, wie sich smarte und adaptive Katalysatoren über die Art ihrer Herstellung steuern lassen.
Getragen wird das Feld von In-situ-Analytik, datengestützten Entdeckungen und autonomer Robotik. Diese Ansätze könnten die Materialsynthese verlässlicher und schneller machen und damit der postfossilen Chemieindustrie dienen.
Wie die Synthese die Eigenschaften von Elektrokatalysatoren prägt
Der weltweite Übergang zu nachhaltigen Energietechnologien beschleunigt sich, und auch die Chemieindustrie wird fossile Rohstoffe zunehmend ersetzen. Künftig soll sie über Elektrokatalyse erzeugten grünen Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffe nutzen, um ihre Produkte in großem Maßstab herzustellen. Ein Engpass bleiben dabei vorerst die Elektrokatalysatoren selbst, denn sie müssen aus breit verfügbaren, günstigen Materialien bestehen und ihre Aufgabe zugleich selektiv, effizient und stabil erfüllen.
Wie gut ein Katalysator arbeitet, entscheidet sich nach Darstellung des Teams bereits bei seiner Herstellung. „In der Elektrokatalyse konzentrieren wir uns oft auf Aktivität, Selektivität und Langlebigkeit, doch diese Eigenschaften entstehen nicht zufällig. Sie entstehen bereits während der Synthese“, sagt Menezes. Phase, Kristallinität, Defektdichte, Oxidationsstufe, Morphologie, Leitfähigkeit und die lokale Koordinationsumgebung eines Materials werden von der Synthesechemie bestimmt. Davon hängt wiederum ab, wie sich aktive Stellen bilden, wie sich Ladungen und Ionen bewegen und wie sich der Katalysator unter Reaktionsbedingungen dynamisch umwandelt.
Vom synthetisierten Material zum eigentlichen Katalysator
Der Überblick spannt den Bogen über das gesamte Spektrum synthetischer Verfahren, von der Festkörpersynthese über nasschemische Strategien bis zur Elektroabscheidung und zu Methoden des Grenzflächenwachstums. Für jedes dieser Verfahren zeigen die Forscher, wie stark es die Leistung des fertigen Katalysators bestimmt. „Was wäre, wenn wir die größten Durchbrüche in der Elektrokatalyse nicht durch das Streben nach besseren Leistungskennzahlen erreichen, sondern dadurch, wie wir die Materialien entwerfen und synthetisieren?“, fragt Menezes.
Eine zentrale Herausforderung liegt darin, dass das hergestellte Material oft nicht jenes ist, das die Reaktion am Ende tatsächlich antreibt. „In vielen Fällen ist der von uns synthetisierte Katalysator nicht einmal der endgültige Katalysator, der die Reaktion durchführt. Das eigentliche aktive Material entwickelt sich in situ während des Betriebs“, erläutert Dr. Debabrata Bagchi. Diese Umwandlung zu verstehen und gezielt zu steuern, zählt zu den wichtigsten Aufgaben der modernen Katalyseforschung.
Datengestützte Forschung und Robotik beschleunigen die Entwicklung
Über die klassische Chemie hinaus verändern neue Werkzeuge die Materialsynthese. „Dabei zeigen wir auch neue Entwicklungen in der In-situ-Analytik, datengesteuerter Forschung und autonomer Robotik auf und diskutieren, wie diese das Verständnis, die Vorhersagbarkeit, die Reproduzierbarkeit und den Durchsatz der Materialsynthese weiter verbessern“, sagt Dr. Niklas Hausmann. Ein eigener Abschnitt widmet sich der industriellen Bedeutung, indem er aufzeigt, wie Fortschritte in der synthetischen Chemie den Einsatz von Elektrokatalysatoren in Elektrolyseuren, CO₂-Reduktionsreaktoren und weiteren elektrochemischen Technologien unter realistischen Bedingungen beeinflussen.
Für die Forscher verschiebt sich damit der Blick weg von der Suche nach einem einzelnen Wundermaterial hin zur gezielten Steuerung der Synthese und ihrer Entwicklung im Betrieb. „Die synthetische Materialchemie ist nicht nur ein vorbereitender Schritt, sondern das entscheidende Werkzeug für die gezielte Entwicklung smarter und adaptiver Elektrokatalysatoren“, sagt Menezes. „Wir treten in eine Ära ein, in der Chemie, moderne Charakterisierungsverfahren, Automatisierung und KI zusammenwachsen. Die Zukunft der Katalyse hängt vielleicht nicht von der Entdeckung eines einzigen Wundermaterials ab, sondern vielmehr davon, dass wir lernen, Materialien und ihre Entwicklung unter Betriebsbedingungen systematisch zu steuern, wobei die Materialchemie die Zukunft der Katalyse bestimmen wird.“
Originalpublikation: D. Bagchi, J. N. Hausmann, T. Sontheimer, and and P. W. Menezes, Angewandte Chemie65. (138, no. 26 (2026), e4318027, https://doi.org/10.1002/anie.4318027
