Presseinformation der LMU München vom 30.09.2015

LMU-Chemiker haben neue poröse Materialien für die Photokatalyse entwickelt. Die organischen Netzwerke eröffnen neue Wege zu polymeren Photokatalysatoren mit präzise einstellbaren Eigenschaften.

Bei der künstlichen Photosynthese wird mit Sonnenlicht Wasserstoff erzeugt, um die Energie aus der Sonne effizient speichern zu können. Da die bisherigen Systeme jedoch viele Mängel aufweisen, wird weltweit an effizienteren Verfahren geforscht. Chemiker um Professor Bettina Lotsch vom Department Chemie der LMU und vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart konnten nun erstmals zeigen, wie sich eine neue Klasse poröser organischer Materialien dazu nutzen lässt, molekular maßgeschneiderte Photokatalysatoren für die licht-induzierte Wasserstoffentwicklung herzustellen. Über ihre Ergebnisse berichten sie aktuell in der Fachzeitschrift Nature Communications.

Die Chemiker um Lotsch forschen unter anderem an sogenannten kovalenten organischen Netzwerken. „Solche zweidimensionalen Polymere verfügen über Eigenschaften, die für photokatalytische Prozesse wesentlich sind: Die Materialien sind kristalline und poröse Halbleiter, die sich zudem chemisch maßschneidern lassen“, sagt Bettina Lotsch. Sie werden bereits für die Speicherung von Gasen und als Sensoren untersucht, zudem haben sie Potenzial für Anwendungen in der Optoelektronik.

Effizienter und billiger

Bettina Lotsch untersuchte mit ihrem Team in Zusammenarbeit mit Forschern um Professor Christian Ochsenfeld, Inhaber des Lehrstuhls für Theoretische Chemie an der LMU, am Beispiel einer Triphenylarylplattform, inwiefern sich die porösen Polymere für die Photokatalyse eignen. „Der Vorteil dieser Materialklasse ist, dass sich ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften nach Bedarf einstellen lassen“, sagt Dr. Vijay Vyas, Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe von Bettina Lotsch am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung. „Dadurch konnten wir ihre Fähigkeit, Wasserstoff zu produzieren, gezielt verbessern. Ihre Leistungskraft ist mit denen etablierter Kohlenstoffnitrid- und Oxid-Photokatalysatoren vergleichbar.“ Die neu entwickelten Materialien sind über Azin-Brücken verbunden, sie haben eine zweidimensionale Grundstruktur und wurden auf Basis von Hydrazin und Trialdehyden synthetisiert.

Gegenüber Katalysatoren auf Metallbasis, die oft mit hohen Kosten verbunden und nur wenig modifizierbar sind, hat die neue Materialklasse einen entscheidenden Vorteil. „Da sich ihre Eigenschaften spezifisch molekular ändern lassen, lässt sich auch ihre Leistung gezielt verbessern“, sagt Frederik Haase aus der Arbeitsgruppe von Bettina Lotsch. Damit liefern die neu entwickelten Materialien beste Voraussetzungen, um auf ihrer Basis umweltfreundliche und preiswerte Photokatalysatoren entwickeln zu können.

„Wir konnten erstmals auf molekularer Ebene zeigen, dass sich die strukturellen, morphologischen und optoelektronischen Eigenschaften kovalenter organischer Netzwerke präzise daraufhin einstellen lassen, ihre photokatalytische Aktivität zu verbessern“, fasst Bettina Lotsch das Ergebnis zusammen. Die Grundlagenforschung der LMU-Chemiker könnte daher dazu beitragen, Solarenergie künftig effizienter zu nutzen als dies bislang möglich ist.

Publikation:
Nature Communications 2015

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 25.09.2015

Nach dem Prinzip einer Tarnkappe: Material tarnt Kontaktfinger, die bei Solarzellen für die Stromableitung dienen und die aktive Fläche bedecken – Messungen bestätigen Tarnung der Kontakte

Ein Erfolgsfaktor für die Energiewende ist der Ausbau der erneuerbaren Energien. Allerdings ist deren Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Energiequellen zum Teil noch deutlich geringer. Die Effizienz von handelsüblichen Solarzellen beispielsweise liegt bei etwa 20 Prozent. Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) veröffentlichten nun einen unkonventionellen Weg, um die Effizienz der Panels zu steigern: Optische Tarnkappen leiten das Sonnenlicht um Objekte, wie etwa die Kontakte zur Stromabfuhr herum, die eigentlich einen Schatten auf das Solarpanel werfen. DOI: 10.1364/OPTICA.2.000850

Aber nicht nur für die Energiewende, sondern auch zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit muss die Energieeffizienz von Solarpanels deutlich verbessert werden. Module, wie sie heute auf Dächern montiert werden, wandeln nur ein Fünftel des Lichts in Strom um, das bedeutet, dass etwa 80 Prozent der Sonnenenergie verloren gehen. Die Gründe für die hohen Verluste sind vielfältig. Beispielsweise ist bis zu einem Zehntel der Fläche der Solarzellen mit sogenannten Kontaktfingern bedeckt, die den erzeugten Strom abführen. Dort, wo sich die Kontaktfinger befinden, kann das Licht die aktive Fläche der Solarzelle nicht erreichen, die Effizienz der gesamten Zelle sinkt.

„Unsere Modellexperimente haben gezeigt, dass die Tarnschicht die Kontaktfinger fast vollständig unsichtbar macht“, sagt Doktorand Martin Schumann vom Institut für Angewandte Physik am KIT, der die Experimente und Simulationen durchgeführt hat. Physiker des KIT um den Leiter des Forschungsprojekts Carsten Rockstuhl haben gemeinsam mit Partnern aus Aachen, Freiburg, Halle, Jena und Jülich die am KIT entworfene optische Tarnkappe weiterentwickelt, um das einfallende Licht um die Kontaktfinger der Solarzelle herumzuführen.

Normalerweise ist das Ziel der Tarnkappen-Forschung Objekte unsichtbar zu machen. Dafür wird Licht um das zu tarnende Objekt herum geleitet. Bei diesem Forschungsprojekt lag der Fokus aber nicht auf der Tarnung der Kontaktfinger an sich, sondern auf dem umgeleiteten Licht, das dank der Tarnkappe potenziell die aktive Fläche der Solarzelle erreicht und damit für diese nutzbar gemacht wird.

Um den Tarneffekt zu erzielen, gingen die Wissenschaftler zwei Möglichkeiten nach. Bei beiden Verfahren wird auf die Solarzelle eine Polymerschicht aufgebracht. Diese muss exakt berechnete optische Eigenschaften besitzen, nämlich entweder einen Brechungsindex, der vom Ort abhängt, oder eine spezielle Oberflächenform. Das zweite Konzept ist besonders vielversprechend, da es sich potenziell auch kostengünstig in die Massenproduktion von Solarzellen integrieren lässt. Die Oberfläche der Tarnschicht weist dabei Rillen auf, die entlang der Kontaktfinger ausgerichtet sind. So wird das einfallende Licht von den Kontaktfingern weg gebrochen und trifft schließlich auf die aktive Fläche der Solarzelle.

Die Forscher haben in einem Modellexperiment und anhand von ausführlichen Simulationen gezeigt, dass sich beide Konzepte dazu eignen, die Kontaktfinger zu tarnen. Im nächsten Schritt ist geplant, die Tarnschicht auf eine Solarzelle aufzubringen, um die tatsächliche Effizienzsteigerung zu bestimmen. Die Physiker sind optimistisch, dass sich auch unter realen Bedingungen eine Verbesserung durch die Tarnschicht ergibt: „Wenn man eine derartige Schicht auf eine echte Solarzelle aufbringt, sollten sich die optischen Verluste durch die Kontaktfinger reduzieren und die Effizienz sollte um bis zu zehn Prozent steigen“, sagt Martin Schumann. (sis)

Veröffentlichung:
Martin F. Schumann, Samuel Wiesendanger, Jan Christoph Goldschmidt, Benedikt Bläsi, Karsten Bittkau, Ulrich W. Paetzold, Alexander Sprafke, Ralf B. Wehrspohn, Carsten Rockstuhl, and Martin Wegener, „Cloaked contact grids on solar cells by coordinate transformations: designs and prototypes,“ Optica 2, 850-853 (2015)
DOI: 10.1364/OPTICA.2.000850

Externer Link: www.kit.edu

Presseaussendung der TU Wien vom 09.09.2015

Begrünte Fassaden können Energie sparen und das lokale Klima in der Stadt deutlich verbessern. An der TU Wien werden unterschiedliche Fassadenbegrünungs-Strategien erprobt, gemessen und simuliert.

Wer diesen Sommer schwitzend vor dem Ventilator verbracht hat und sich nach einer Klimaanlage sehnt, sollte sich Gedanken über eine umweltfreundliche Alternative machen: Fassadenbegrünung in der Stadt ist ein neuer Trend, der die Lebensqualität erhöhen und den Energiebedarf senken kann. An der TU Wien wird erforscht, wie das am besten gelingt. In Wien laufen derzeit mehrere Pilotprojekte.

Besseres Mikroklima

Die Bauingenieurin Prof. Azra Korjenic führt seit Jahren Messungen an Gebäuden mit begrünten Fassaden durch. „Dass Fassadenbegrünung zu Verbesserungen führt, steht mittlerweile außer Zweifel“, erklärt sie. Pflanzen haben eine regulierende Wirkung auf das Mikroklima: Im Sommer werden Innenräume und Höfe durch Fassadenbegrünung deutlich kühler, weil die Pflanzen die Konstruktion vor zu starker Erwärmung schützen und außerdem durch die Verdunstung von Wasser zur Kühlung beitragen. Im Winter schützen sie das Haus vor dem Auskühlen, außerdem filtern sie Feinstaub und verbessern die Luftqualität und schützen vor Lärm.

Korjenic ist daher überzeugt, dass sich Pflanzenbewuchs auf der Fassade durchsetzen wird – in Zukunft könnten unsere Städte viel grüner aussehen. Energiekosten für Klimaanlagen und Heizung sollen sich damit einsparen lassen. Allerdings gibt es auf diesem Gebiet noch nicht viel bautechnische Erfahrung. Daher ist es wichtig, wissenschaftlich zu untersuchen, wie Fassadenbegrünung am besten gelingen kann.

Viele verschiedene Konzepte werden derzeit getestet. Das einfachste ist, Kletterpflanzen an der Fassade wachsen zu lassen, doch es gibt auch deutlich wirkungsvollere Techniken. Man kann vor der Fassade eine zweite Fassade aus Pflanzentrögen errichten, man kann feste Fasermatten mit integriertem Substrat und Befeuchtungsanlage vor die Fassade hängen und vieles mehr. „Eine Kosten-Nutzen-Rechnung verschiedener Systeme wird gerade gemacht“, sagt Korjenic. „Welche Lösung die beste ist, hängt von den Zielvorstellungen und Präferenzen des Anwenders ab.“ Das Forschungsteam von Azra Korjenic misst Daten und entwickelt Computersimulationen, mit denen man den Einfluss verschiedener Konstruktionen auf den Wärmehaushalt eines Gebäudes berechnen kann.

Mehrere Pilotprojekte

Die Nachfrage nach dieser Expertise wächst: Derzeit laufen mehrere vielversprechende Forschungsprojekte. Das Bundesrealgymnasium in der Kandlgasse im 7. Wiener Gemeindebezirk wird im Zuge eines FFG-Projektes eine Innenraum-, Fassaden- und Dachbegrünung erhalten. Dort werden verschieden Systeme montiert, sowohl in Klassenzimmern als auch außen an der Fassade. Es wird auch Einfluss der Begrünung auf das Raumklima untersucht – auf Raumtemperatur, Raumfeuchte, CO2, Staubmenge und Schall. Das Gebäude der Magistratsabteilung 31 (Wiener Wasser) im 6. Bezirk wird ebenfalls bereits begrünt, hier wird man nun drei Jahre lang Daten erheben und analysieren. Und auch im Auftrag der Wiener Magistratsabteilung 22 (Umweltschutz) führt Azra Korjenic mit Ihren Team derzeit verschiedene Studien durch.

Technisch interessant ist auch die Kombination von Fassadenbegrünung mit Photovoltaik. Auf den ersten Blick könnte man meinen, beide Konzepte schließen einander aus, wenn nur eine begrenzte Fläche zur Verfügung steht. Doch dieses Problem lässt sich beheben: Man kann etwa über den Fenstern geneigte Solarzellen anbringen, die im Sommer für Schatten sorgen, und den Pflanzen ihren Platz lassen. Außerdem wird auch getestet, wie man transparente Solarzellen einsetzen kann, die nur einen kleinen Anteil des Sonnenlichts in elektrische Energie umwandeln und den Rest zu den Pflanzen auf der Fassade dringen lassen.

Azra Korjenic rechnet damit, dass Fassadenbegrünung immer populärer wird – nicht zuletzt wegen des Klimawandels: „Wenn die Sommer bei uns immer heißer werden, dann werden die Leute feststellen, dass es in einem kühleren Gebäude mit begrünter Fassade einfach viel angenehmer ist.“ (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 16.07.2015

Röntgentechniken erschließen Wechselwirkungen der aktiven Metalle mit den Gasmolekülen – Publikation in Chemical Communications

Wie funktionieren Abgaskatalysatoren? Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben die Reaktionen unter wirklichkeitsnahen Bedingungen untersucht: Mithilfe von Röntgenstrahlung beobachteten sie die Wechselwirkungen des Schadstoffmoleküls Stickstoffmonoxid und des Reduktionsmittels Ammoniak mit den Eisen- und Kupferzentren – den Übergangsmetallionen, an denen die Reaktion stattfindet – der Katalysatoren Fe-ZSM-5 und Cu-SSZ-13. Ihre Ergebnisse können dazu beitragen, die Abgasnachbehandlung weiter zu verbessern. In der Zeitschrift Chemical Communications stellen die Forscher ihren Ansatz vor. (DOI: 10.1039/C5CC01758K)

Moderne Katalysatoren zur Abgasnachbehandlung in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor haben erheblich dazu beigetragen, Schadstoffemissionen zu reduzieren. Durch Oxidation beziehungsweise Reduktion – Abgabe bzw. Aufnahme von Elektronen – wandeln Abgaskatalysatoren Verbrennungsschadstoffe wie Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffmonoxid und Stickoxide in die Stoffe Kohlenstoffdioxid, Wasser und Stickstoff um. Immer striktere Vorgaben des Gesetzgebers verlangen, den Kraftstoffverbrauch zu verringern und den Ausstoß von Stickoxiden weiter zu senken. Durch Zugabe des Reduktionsmittels Ammoniak, das zum Beispiel durch Zersetzung der hochreinen Harnstofflösung AdBlue® im Fahrzeug gebildet wird, lassen sich die Stickoxide am Katalysator zu unschädlichem Stickstoff und Wasserdampf umsetzen. Die Harnstofflösung wird dazu vor dem Katalysator in den Abgasstrang eingespritzt.

Um Katalysatoren zu verbessern, ist es erforderlich, ihre Funktion und die einzelnen Reaktionsschritte genau zu verstehen. „Verlässliche Erkenntnisse über die ablaufenden Reaktionen lassen sich nur unter realitätsnahen Reaktionsbedingungen gewinnen“, erklärt Professor Jan-Dierk Grunwaldt, Inhaber des Lehrstuhls Chemische Technik und Katalyse am KIT. „Das heißt, wir müssen den Katalysatoren bei der Arbeit zuschauen. Dazu bieten Synchrotronstrahlungsquellen hervorragende Möglichkeiten.“ Synchrotronstrahlung ist Röntgenstrahlung mit einer Energie von einigen bis zu Hunderten oder sogar einer Million Elektronenvolt. Mit ihr lassen sich die Eigenschaften der aktiven Metallzentren im Katalysator und deren Wechselwirkungen mit den Gasmolekülen beobachten. Dabei bieten sich zwei Methoden an: Die Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) erlaubt es, den Oxidationszustand und die Koordinationszahl, das heißt die Zahl der nächsten Nachbarn eines Atoms, zu ermitteln. Die Röntgenemissionsspektroskopie (XES) ermöglicht neuerdings zusätzlich, zwischen den adsorbierten – am Katalysator angelagerten Stoffen – zu unterscheiden. So lässt sich erschließen, welche Moleküle zur Reduktion führen, wann eine konkurrierende Adsorption stattfindet, das heißt, wann mehrere Stoffe um die Anlagerung am Katalysator konkurrieren, und wie einzelne Moleküle am Metallatom koordinieren.

Eine Forschungsgruppe um Professor Jan-Dierk Grunwaldt zusammen mit Professor Christoph R. Jacob, der kürzlich vom KIT an die TU Braunschweig berufen wurde, und Dr. Pieter Glatzel von der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble/Frankreich hat nun erstmals beide Methoden kombiniert, um die Reaktionen an zwei bereits in Fahrzeugen eingesetzten katalytisch aktiven Materialien unter realitätsnahen Bedingungen zu untersuchen. Dabei handelt es sich um die Materialien Fe-ZSM-5 und Cu-SSZ-13. Beide Materialien basieren auf Zeolithen, das sind besondere Mineralien mit poröser Gerüststruktur. Die Ergebnisse ihrer Untersuchungen stellen die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Chemical Communications vor.

Mithilfe der Röntgentechniken untersuchten und verglichen die Forscher die Wechselwirkung des Schadstoffmoleküls Stickstoffmonoxid und des Reduktionsmittels Ammoniak mit den Eisen- und Kupferzentren. „Obwohl in Summe die gleiche Reaktion abläuft, haben wir für die zwei Katalysatoren unterschiedliche Reaktionswege beobachtet“, berichtet Tobias Günter, Doktorand am Lehrstuhl Chemische Technik und Katalyse des KIT. Für die Reaktion am Fe-ZSM-5-Katalysator wiesen die Wissenschaftler eine Adsorption des Stickstoffmonoxids über ein positiv geladenes Sauerstoffatom nach. Am Cu-SSZ-13-Katalysator hingegen zeigte sich dieses Verhalten nicht. Da außerdem keine direkte Koordination über das Stickstoffatom stattfand, gehen die Forscher von einer Reaktion aus der Gasphase mit einer möglichen Aktivierung am Ammoniakmolekül aus. „Dies kann auch erklären, warum Ammoniak die Reaktion am Fe-ZSM-5-Katalysator hemmte, was am Cu-SSZ-13-Katalysator nicht festzustellen war“, erläutert Tobias Günter.

Die Erkenntnisse der Forscher um Jan-Dierk Grunwaldt liefern wertvolle Informationen für Modelle, um das Verhalten der Katalysatoren im Betrieb besser vorhersagen zu können. „Unser Ansatz mit den zwei röntgenbasierten Methoden eignet sich nicht nur für die genannten Materialien, sondern lässt sich auf viele weitere Materialien und Reaktionen übertragen“, sagt Professor Grunwaldt. In Zukunft kann dieser Ansatz die weitere Entwicklung und Verbesserung von Abgaskatalysatoren wesentlich voranbringen. (or)

Publikation:
Tobias Günter, Hudson W. P. Carvalho, Dmitry E. Doronkin, Thomas Sheppard, Pieter Glatzel, Andrew J. Atkins, Julian Rudolph, Christoph R. Jacob, Maria Casapua and Jan-Dierk Grunwaldt: Structural snapshots of the SCR reaction mechanism on Cu-SSZ-13. Chemical Communications, 2015, 51, 9227-9230. DOI: 10.1039/C5CC01758K.

Externer Link: www.kit.edu

Pressemeldung der FH Oberösterreich vom 12.06.2015

Normalerweise wandelt er Stroh in Biosprit um. Oder er stellt aus Stroh Isoliermaterialien für den Hausbau her. Diesmal wurde der Welser Biotechnologe FH-Prof. Alexander Jäger mit einem neuen Thema konfrontiert: „Zeigen Sie mir, wie ich Biotrinkhalme aus Stroh fachgerechnet herstellen kann“, so die Anfrage des Atzbacher Landwirts und Jungunternehmer Daniel Auinger. Die FH OÖ in Wels hat ihm nach mikrobiologischen Analysen alle offenen Fragen beantworten können. Die „echten“ Strohhalme sind bereits am Markt erhältlich.

Mit dem jungen Bio- und Umwelttechnik-Absolventen Martin Maier MSc fand sich schnell ein idealer Jungforscher für dieses Projekt: Perfekt ausgebildet in den Fächern Mikrobiologie, Chemie, Verfahrenstechnik sowie Umweltrecht wurden von der FH OÖ die noch offenen Fragen geklärt: Sind die aus Biogetreide geschnittenen Strohhalme frei von chemischen Schadstoffen? Wie müssen sie gereinigt und getrocknet werden um auch den strengen Hygienevorschriften zu entsprechen?

Für trendige Bars und Restaurants

Alle Fragestellungen wurden geklärt und so konnte das Jungunternehmen Bio-Strohhalme Auinger die „echten Strohhalme“ auf den Markt bringen. „Unsere Zielgruppen für die Bio-Strohhalme sind nicht nur umweltbewusste Konsumenten, sondern auch trendige und hochqualitative Bars und Restaurants“, so Daniel Auinger.

Ohne Farbstoffe und Weichmacher

Auf die Frage nach den Vorteilen dieser echten Strohhalme antwortet der Welser Forscher Alexander Jäger: „Ein natürliches, in der Region hergestelltes Produkt aus nachwachsenden reinen Rohstoffen – frei von Farbstoffen und Weichmachern. Da schmecken die Getränke mit dem Strohhalm gleich besser.“

Externer Link: www.fh-ooe.at