Robert Schlögl: Für eine dynamische Katalyse

Interview in UNIKATE (Uni Duisburg)

Robert Schlögl (RS), Gründungsdirektor des Mülheimer Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion (MPI-CEC) und Abteilungs-Direktor Anorganische Chemie am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin (FHI), beantwortet im Magazin UNIKATE der Universität Duisburg, deren Honorarprofessor er seit Januar ist, Fragen zu den Themen Erneuerbare Energien, Katalyse und Nanowissenschaften. Darüber hinaus zu seiner Lehrtätigkeit an der Universität Duisburg-Essen, zur Zusammenarbeit mit Universitäten und zum Standort des MPI-CEC in Mülheim.

Welche Bedeutung hat Ihrer Meinung nach die Katalyse für die Energieversorgung der Zukunft?

RS: Die Energieversorgung der Zukunft wird ohne die regenerativen Energien der Sonne nicht auskommen. Die regenerativen Energien sind volatil, das heißt, sie sind nicht verfügbar, wenn wir sie brauchen. Deswegen wird trotz aller Managementaufgaben die regenerative Energie gespeichert werden müssen. Energiespeicherung in einer Dimension des nationalen Energieverbrauchs kann sinnvollerweise nur in chemischen Bindungen erfolgen, und chemische Bindungen werden nur durch die Katalyse gebildet. Somit ist die Katalyse die Grundlage für die Integration der regenerativen Energien in unsere Gesellschaft.

Warum spielt die Nanotechnologie hierbei eine entscheidende Rolle?

RS: Die Nanotechnologie ist heute soweit entwickelt, dass wir in der Lage sind, Materialen mit vorbestimmten Eigenschaften herzustellen. Nur vorbestimmte Eigenschaften setzen uns in die Möglichkeit, Katalysatoren maßzuschneidern. Katalysatoren sind Funktionsmaterialien, die weit weg vom chemischen Gleichgewicht operieren. Deswegen sind nanostrukturierte Systeme außerordentlich dazu geeignet, hochpotente Katalysatoren zu bilden, die gleichzeitig einen geringen Materialverbrauch aufweisen, beispielsweise mit wertvollen Elementen wie seltenen Erden oder gar seltenen Metallen wie Platin, Iridium und Ruthenium.

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Was hat sich in den vergangenen zehn Jahren in der Katalyseforschung getan?

RS: Die Katalyseforschung hat eigentlich genau diese Erkenntnisse in den letzen zehn Jahren gefestigt, das heißt, wir gehen davon aus, dass heterogen-katalytische Prozesse sich nicht auf statischen Oberflächen abspielen, sondern dass die Oberfläche mit den reagierenden Stoffen zusammen eine Einheit, ein dynamisches System bildet. Dieses dynamische System bringt die aktiven Zentren hervor. Auch deswegen ist die Nanotechnologie in der Katalyse von größter Bedeutung, weil die Geschwindigkeit, mit der sich aus einem Vormaterial, das man Precursor nennt, der Katalysator bildet, davon abhängt, wie lang die Diffusionslänge von Atomen ist, das heißt, wie lang der geometrische Abstand zwischen Oberfläche und Volumen eines Teilchens ist. Es ist offensichtlich, dass ein nanostrukturiertes Teilchen eben sehr viel kürzere Zeiten dafür benötigt und deswegen auch die Einstellung des dynamischen Zustands eines Katalysators sehr viel schneller von statten geht.

Wohin geht der Trend in der Katalyse, so es denn einen gibt?

RS: Wir arbeiten mit allen Katalysatorsystemen, die verfügbar sind, das heißt molekulare und auch heterogene Katalysatoren, allerdings unter der ganz klaren Maßgabe, dass wir von den Edelmetallen wegwollen und uns mit den Elementen beschäftigen, die auch die Natur verwendet, um Energiespeicherprozesse durchzuführen. Das sind im Wesentlichen die Elemente Mangan und Kalzium für die Wasserspaltung auf der einen Seite und Eisen und Nickel, um den gewonnenen Wasserstoff auf der anderen Seite mit Kohlenstoff umzusetzen. Damit ist auch klar, welche Elemente wir untersuchen.

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Mit welchen Katalysatortypen arbeiten Sie in Ihrer Forschung schwerpunktmäßig und warum?

RS: Das erste große Forschungsprojekt, mit dem sich das gesamte Institut beschäftigt, ist die Spaltung des Wassers. Denn wenn wir nicht in der Lage sind, die Schnittstelle zwischen elektrischem Strom und chemischen Bindungen zu besetzen, das heißt, aus elektrischem Strom Wasserstoff zu erzeugen, dann sind alle nachgeschalteten Energiespeicherprozesse wertlos. Leider ist genau die Beherrschung dieser äußerst einfachen Reaktionen – Wasser zu spalten in Wasserstoff und Sauerstoff – heute noch so schlecht verstanden, dass wir zum einen nicht in der Lage sind, Energiewandler zu bauen, die sich der regenerativen Energielieferung anpassen können, das heißt, die in der Lage sind, mehrmals am Tag an- und abgeschaltet zu werden und zum anderen sind die verfügbaren Elektrolyseapparaturen derartig teuer, dass sich auf der Dimension einer nationalen Energieversorgung niemand leisten kann, solche Technologien einzusetzen. Wir brauchen also stabile, wechsellastfähige und preiswerte Elektrolysetechniken. Dazu müssen wir die Elektrolyse als Prozess wesentlich besser verstehen. Es wird nicht möglich sein, durch schlichte empirische Verbesserung vorhandener Systeme diese dringende Aufgabe zu lösen.

In welche Richtungen wird die Forschung am MPI für Chemische Energiekonversion noch gehen? Welche konkreten Forschungsprojekte haben Sie vor?

RS: Weiterhin beschäftigen wir uns auch mit dem Nutzen des Wasserstoffs. Da geht es im Wesentlichen darum, Kohlendioxid als Rohstoff zu verwenden und in großen Mengen Kohlendioxid und Wasserstoff zur Reaktion zu bringen, um dabei entweder Methan oder Methanol zu erhalten. Von beiden Zwischenmolekülen aus kann man weitere Substanzen herstellen, die wir brauchen. Es ist auch denkbar, dass wir aus Kohlendioxid und Wasserstoff Kohlenmonoxid als Synthesegas herstellen und damit direkt zu flüssigen Treibstoffen kommen. In unserem Institut werden wir diese Reaktionen aber nicht untersuchen, weil es uns eigentlich eher um die Speicherung großer Mengen von elektrischer Energie für beispielweise Sommer-/Winterschwankungen geht, und das wird sehr wahrscheinlich in dem Molekül Methan erfolgen.

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Was bereitet dem Honorarprofessor der Universität Duisburg-Essen besondere Freude an seiner Lehrtätigkeit ?

RS: Die Lehre an der Universität ist einfach eine Voraussetzung, um in seinen wissenschaftlichen Gedanken geerdet zu bleiben. Es ist eine schwierige Aufgabe, komplexe Zusammenhänge, wie ich sie vorhin beschrieben habe, so darzustellen, dass sie auch von Studenten nicht nur begriffen werden, sondern auch, dass sie das später selbst umsetzen können. Ich betrachte es als eine wichtige Funktion, die Erkenntnisse, die man selbst in der Forschung gewonnen hat, so aufzubereiten und anschlussfähig zu den Erkenntnissen des Lehrbuchwissens zu machen, dass zukünftige wissenschaftliche Mitarbeiter davon profitieren und somit die Verschiebung der Grenze des Wissens auch tatsächlich an die Leute weitergegeben wird, die später mit diesem WissenProbleme lösen oder selbst die Grenze des Wissens weiterverschieben. Ich mache meine Vorlesungen gerne und ich werde mir auch größte Mühe geben, diesen Gedanken der dynamischen Katalyse an der Universität Duisburg-Essen zu implementieren.

Was bedeutet Ihnen die Zusammenarbeit mit Universitäten und anderen Forschungseinrichtungen?

RS: Die Max-Planck-Gesellschaft ist eine Organisation der Grundlagenforschung. Sie steht nicht alleine, sondern kann nur auf dem Fundament von Universitäten stehen – und auch von weiteren außeruniversitären Forschungseinrichtungen, die in der Lage sind, die Grundlagenforschung weiterhin nutzbar zu machen. Wir sind ein Baustein oder eine Säule im Wissenschaftssystem und ich persönlich halte die Strukturierung des Wissenschaftssystems in verschiedene Aufgabenbereiche, oder, wie das so manchmal negativ formuliert wird, in Säulen für außerordentlich hilfreich und nützlich. Deswegen gibt es eigentlich gar keine Alternative, als mit anderen Organisationen zusammenzuarbeiten. Die Universitäten sind dabei unsere Basis, denn alles Wissen, das wir verwenden, stammt aus der Universität; wir selbst stammen auch aus der Universität und unsere Mitarbeiter ebenfalls. Daher gibt es keine Alternative, dazu, sich mit den Universitäten so zu verbünden, dass wir unsere Stärken mit den Stärken der Universität verbinden.

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Wie beurteilen Sie den Standort des MPI für Chemische Energiekonversion?

RS: Der Standort des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion in Mülheim ist jetzt eine definitive Entscheidung. Es wird darum gehen, einen so genannten „Mülheim Chemistry Campus“ zu errichten, das heißt, die gesamte Schlagkraft der Max-Planck-Gesellschaft, die sich dann auf etwa neun bis zehn wissenschaftliche Abteilungen dimensioniert, so zum Einsatz zu bringen, dass wir ein einheitliches oder ein einheitlich gemachtes Forschungskonzept untersuchen und auch umsetzen können, um die Synergie zwischen beiden Instituten dazu zu nutzen, die Frage, wie man Katalysatoren herstellt, wie man sie beurteilt und vielleicht, wie man sie auch verbessert auf einer Skala durchzuführen, dass wir uns dabei durchaus an die Spitze in der Welt stellen können.

Hat der Gründungsdirektor des MPI für Chemische Energiekonversion und Direktor am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin eigentlich noch Zeit für sich selbst? Was tun Sie gern in dieser Zeit?

RS: Wenn man Direktor bei der Max-Planck-Gesellschaft ist, hat man ohnehin relativ wenig Zeit, außer sich mit der Aufgabe zu beschäftigen. Ich betrachte meine Arbeit bei der Max-Planck-Gesellschaft nicht notwendigerweise als Arbeit, die ich mit Freizeit ausgleichen muss; auf der anderen Seite ist sicher richtig, dass einen die Tätigkeit als Direktor stark fordert und man deswegen vielleicht das ein oder andere Mal einen Ausgleich benötigt. Wenn ich für meinen Ausgleich etwas tun kann, dann bewege ich mich in der Natur. Ich fotografiere gerne, ich wandere gerne, aber ich muss auch ein bisschen etwas für meine Fitness tun.
->Quelle: Für die dynamische Katalyse. Ein Gespräch mit Robert Schlögl (Birte Vierjahn, Universität Duisburg-Essen, stellte die Fragen), in UNIKATE (2013), NR. 43. S. 12- 15; uni-due.de