Vorgestellt: Herausforderungen der nachhaltigen Energiespeicherung

Julia Kunze-Liebhäuser beschäftigt sich mit der elektrochemischen Energieumwandlung und -speicherung: Ihre anwendungsorientierte Grundlagenforschung an innovativen Materialien für den Einsatz in der Elektrokatalyse sowie in Lithium-Ionen-Batterien ist für die Entwicklung effizienterer Energiewandler und -speicher von großer Bedeutung.
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Bild: Univ.-Prof. Dr. Julia Kunze-Liebhäuser

Julia Kunze-Liebhäuser wurde mit 1. Mai 2014 auf die neugeschaffene Professur für Material- und Nanochemie am Institut für Physikalische Chemie der Uni Innsbruck berufen. „Ich habe mich für Innsbruck entschieden, weil die in der Ausschreibung gewünschten Anforderungen sehr genau zu meinem Forschungsprofil passen. Zudem hat mich die Struktur am hiesigen Institut und das umfassende Lehrangebot der Uni Innsbruck überzeugt“, erklärt Julia Kunze-Liebhäuser. „Die Möglichkeit, das neue Masterstudium für Material- und Nanowissenschaften mitzugestalten, ist ebenfalls eine Herausforderung, die ich sehr schätze, weil sie mir von Anfang an ermöglicht, meine Ideen und Vorstellungen mit einzubringen.“

Ihren Studierenden will Kunze-Liebhäuser hauptsächlich ihre Begeisterung für das Fach vermitteln. „Die Elektrochemie erlebt gerade durch die Batterie- und Brennstoffzellenforschung eine regelrechte Renaissance, mich fasziniert dieses vielseitige Fach seit langer Zeit, und ich möchte diese Begeisterung an die Studierenden weitergeben“, so die physikalische Chemikerin.

Stabile Trägermaterialien

In ihren Forschungsprojekten, die sie zum Teil schon an der TU München begonnen hat, beschäftigt sich Kunze-Liebhäuser unter anderem mit der Ethanoloxidation im Elektrokatalysebereich. „Die Ethanoloxidation ist – wenn man es richtig macht – eine Reaktion, die sehr hohe Energiedichten liefern kann“, beschreibt Kunze-Liebhäuser, „dabei ist Ethanol ein nicht toxischer Brennstoff, der sich aus erneuerbaren Quellen gewinnen und einfach handhaben und transportieren lässt. Um die gesamte chemische Energie, die in Ethanol gespeichert ist, in einer Brennstoffzelle in nutzbare elektrische Energie umzuwandeln, braucht man einen geeigneten Katalysator, z.B. Platin in Form von Nanopartikeln, der in der Regel auf ein Trägermaterial aufgebracht wird. Dieses Trägermaterial muss eine hohe chemische Beständigkeit sowie gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Die in kommerziellen Brennstoffzellen bisher eingesetzten kohlenstoffbasierten Trägermaterialien kommen hier an ihre Grenzen.“

Derzeit beschäftigt sich die Forschungsgruppe um die Chemikerin mit alternativen Trägermaterialien, im speziellen mit elektrisch leitfähigen Titandioxid-basierten Trägern. Diese Materialien sind nicht nur aufgrund ihrer hohen Korrosions-Stabilität attraktiv, sondern weisen zudem interessante Synergieeffekte auf und können so die Eigenschaften des eingesetzten Katalysators verbessern. Als Katalysatoren werden in der Arbeitsgruppe unter anderem Übergangsmetallcarbide erforscht, da es wichtig ist, in Zukunft alternative Materialien zum teuren Platin zu verwenden.

Abläufe verstehen

Ein zweiter wichtiger Forschungsbereich, den die Chemikerin neben der Elektrokatalyse bearbeitet, ist die Batterieforschung. Hier untersucht sie den Einsatz von nanostrukturiertem Titandioxid als Anodenmaterial für Lithium-Ionen Batterien. Titandioxid ist auch in diesem Bereich sehr interessant, da es im Vergleich zum üblicherweise kommerziell verwendeten graphitischen Kohlenstoff ein sehr sicheres Anodenmaterial ist. „Nanostrukturiertes Titandioxid hat sehr kurze Diffussionswege. Das heißt, man kann es sehr schnell und sehr oft laden und entladen. Wir untersuchen zur Zeit insbesondere selbst-organisierte Nanostrukturen, wie elektrochemisch hergestellte Titandioxid-Nanoröhrchen. Diese haben zudem durch ihre hohe Ordnung bedingte Eigenschaften, die die Einlagerung von Lithium in den Feststoff begünstigen. In Kombination mit Materialien wie Silizium, die sehr hohe Lithium Speicherkapazität besitzen, können entsprechend hohe Energiedichten erreicht werden“, erklärt Julia Kunze-Liebhäuser. Auch wenn ihre Forschungsarbeit anwendungsorientiert ist, ist sie doch im Bereich der Grundlagenforschung angesiedelt. „Vor allem in der Batterieforschung sind noch viele Fragen offen, da die Batterie sehr schnell ein industrielles Produkt wurde. Nun geht es darum, die Reaktionen, die in der Batterie ablaufen, genau zu verstehen – ein Prozess, der in der Folge natürlich auch den Anwendungsbereich revolutionieren kann.“

Zur Person

Julia Kunze-Liebhäuser wurde in Neuss am Rhein geboren und studierte Chemie an der Heinrich Heine Universität in Düsseldorf. Nach Forschungsaufenthalten an der École Nationale Supérieure de Chimie de Paris promovierte sie 2002 an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf. Von 2003 bis 2005 war Kunze-Liebhäuser am Department of Chemistry and Biochemistry an der University of Guelph in Kanada tätig; von 2005 bis 2009 arbeitete sie an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, und 2009 wurde sie Stipendiatin des Institute for Advanced Study der TU München, wo sie sich 2012 im Fach Physikalische Chemie habilitierte. Seit Mai 2014 ist Julia Kunze-Liebhäuser Professorin für Material- und Nanochemie am Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck.