Prof. Dr. Kai S. Exner von der Universität Duisburg-Essen erhält den Tajima Prize 2026 der International Society of Electrochemistry. Die Auszeichnung würdigt seine theoretischen Arbeiten zur Elektrokatalyse. Für eine deutsche Institution ist das bemerkenswert: Erstmals seit zehn Jahren geht der Preis wieder an einen Forscher einer deutschen Einrichtung.

Exners Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit einer Frage, die auf den ersten Blick ziemlich klein wirkt, für chemische Prozesse aber entscheidend ist: Was passiert mit einem Katalysator, wenn er tatsächlich arbeitet? Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Doch ihre Oberfläche bleibt keineswegs unverändert.

Wenn die Oberfläche während der Reaktion umgebaut wird

Ein Beitrag in Accounts of Materials Research fasst die Forschung des Teams zusammen. Im Mittelpunkt stehen MXene – extrem dünne Materialien aus Bestandteilen wie Titan oder Molybdän sowie Kohlenstoff oder Stickstoff. Legt man eine elektrische Spannung an, kann sich ihre Oberfläche neu ordnen. Einzelne Metallatome treten dabei hervor und bilden aktive Zentren für chemische Reaktionen.

Der eigentliche Katalysator entsteht demnach teilweise erst im Betrieb. Nicht nur das Ausgangsmaterial zählt, sondern auch der aktive Zustand, der sich während der Reaktion bildet. Angelegte Spannung und pH-Wert können beeinflussen, welche atomaren Strukturen entstehen. Genau diese Veränderungen untersucht Exners Team mithilfe atomarer Computersimulationen.

Elektrokatalyse wird unter anderem zur Stromerzeugung von Wasserstoff und zur Umwandlung von Stickstoffverbindungen eingesetzt. Wie effizient solche Prozesse ablaufen, hängt wesentlich von den Vorgängen an der Katalysatoroberfläche ab. Die Idee dahinter beschrieb die Arbeitsgruppe erstmals Ende 2024 im Journal of the American Chemical Society; seitdem prüften die Forschenden das Konzept mit computergestützten Methoden weiter.

Hier könnte Ihr Advertorial stehen
Ein Advertorial bietet Unternehmen die Möglichkeit, ihre Botschaft direkt im redaktionellen Umfeld zu platzieren
  • Sauerstoffentwicklung
  • Chlorentwicklung
  • Stickstoffreduktion
  • Oxidation von Ammoniak

Der aktuelle Beitrag in Accounts of Materials Research bündelt diese Arbeiten. Das Verständnis der Umstrukturierung soll helfen, Materialien mit gezielt erzeugbaren aktiven Zentren zu entwickeln. Klingt nach winzigen Verschiebungen – und ist doch der Punkt, an dem sich entscheidet, ob eine Reaktion ordentlich läuft oder eher zäh vor sich hin werkelt.

Vom Atommodell zur Wasserstofftechnik

Die Fragestellung passt zu einem größeren Forschungsfeld: Die Abteilung „Katalytische Materialien: Design und Integration“ am Helmholtz-Zentrum Berlin entwickelt neuartige elektrolytisch aktive Materialsysteme. Ziel sind Elektrokatalysatoren der nächsten Generation, unter anderem für die Wasserstoffproduktion.

Dafür werden katalytisch aktive Materialien synthetisiert, darunter Übergangsmetalloxide und ebenfalls MXene. Die Materialsysteme sollen charakterisiert und optimiert werden, damit daraus Elektrolyseurmaterialien der nächsten Generation entstehen können. Entscheidend ist dabei nicht nur, was im Labor funktioniert, sondern auch, ob sich die Materialien für den industriellen Einsatz hochskalieren lassen.

Am Ende steht die Herstellung von grünem Wasserstoff. Zwischen Computersimulation und großer Anlage liegen zwar etliche Arbeitsschritte, aber genau dort beginnt die Verbindung: bei Materialien, deren aktive Oberfläche verstanden, gezielt verändert und später technisch nutzbar gemacht werden kann.

Vortrag in Glasgow

Den Tajima Prize vergibt die International Society of Electrochemistry für veröffentlichte Forschungsleistungen von Elektrochemiker:innen unter 40 Jahren. Exner wird seine Arbeiten 2027 bei einer Award Lecture auf der Jahrestagung der Gesellschaft in Glasgow vorstellen.

Die Originalpublikation ist unter https://doi.org/10.1021/accountsmr.6c00164 verfügbar.