Das Bild zeigt nanoskalige Atomsondentomografie-Proben auf einem Silizium-Träger.
Mit der Atomsondentomografie (im Bild: Pufferkammer) lassen sich Materialien mit atomarer Auflösung sichtbar machen. Die Methode wurde auch für diese Studie verwendet.
Materialwissenschaft
Die Lebensdauer von Elektrokatalysatoren verlängern
Ein Forschungsteam hat herausgefunden, wie man einen Elektrokatalysator auf Kobaltbasis aktiv und stabil halten kann. Eine wichtige Rolle spielt dabei das Element Chrom.
Chrom selbst ist kein aktives Element, aber seine kontinuierliche Auflösung ermöglicht eine Oberflächenumwandlung, die den Co-Cr-Spinelloxid-Elektrokatalysator aktiv und stabil hält. Dies könnte die Effizienz der Wasserstoffproduktion erheblich verbessern. Zu diesem Ergebnis kommen Forschende der Ruhr-Universität Bochum, der Max-Planck-Institute für Nachhaltige Materialien in Düsseldorf und für Kohlenforschung in Mülheim, des Forschungszentrums Jülich und des Helmholtz-Instituts für Erneuerbare Energien in Erlangen-Nürnberg. Sie berichten über die Ergebnisse in der Zeitschrift Nature Communications vom 10. November 2025.
Co-Cr-Spinelloxid ist ein chemischer Stoff, der aus Kobalt, Chrom und Sauerstoff besteht und eine spezielle Kristallstruktur namens Spinell hat. In dieser Struktur sind die Metallionen Kobalt und Chrom in einem bestimmten Muster mit den Sauerstoffionen verbunden. Co-Cr-Spinelloxid wird oft als Elektrokatalysator verwendet, insbesondere für die Sauerstoffentwicklungsreaktion. Im Vergleich zu Edelmetalloxiden, die ebenso häufig als Elektrokatalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion eingesetzt werden, bietet Co-Cr-Spinelloxid eine kostengünstige Alternative als Anoden-Elektrokatalysator für die Wasserelektrolyse. Bislang verlor Co-Spinelloxid während der Sauerstoffentwicklungsreaktion häufig sehr schnell an Aktivität. Und genau hier setzt die Forschungsarbeit der Bochumer Wissenschaftlerin Prof. Dr. Tong Li und ihrer Kolleg*innen an.
„Die Sauerstoffentwicklungsreaktion ist langsam und bildet den Engpass im gesamten System“, weiß Tong Li, Professorin for Atomic-Scale Characterisation an der Ruhr-Universität Bochum. Das Element Chrom im Katalysator Co-Cr-Spinelloxid selbst sei jedoch nicht aktiv an der Sauerstoffentwicklungsreaktion beteiligt. „Interessanterweise wird der Katalysator jedoch sehr aktiv und stabil, wenn viel Chrom hinzugefügt wird“, so Tong Li. Der Grund dafür sei, dass sich Chrom während der Reaktion kontinuierlich auflöse und dabei Oxyhydroxid bilde. „Dies ermöglicht eine umkehrbare Umwandlung zwischen Hydroxid und Oxyhydroxid. Die Umwandlung aktiviert das Kobalt im Katalysator und erhält die Aktivität über einen langen Zeitraum aufrecht.“
„Die Auslaugung von Chrom ist also nicht schlecht. Das ist überhaupt nicht intuitiv ”, erklärt Tong Li das überraschende Ergebnis. Tong Li ist Expertin für Atomsondentomografie, eine Methode, die hilft, die räumliche Verteilung von Materialien Atom für Atom sichtbar zu machen. In ihrer neusten Studie zu Co-Cr-Spinelloxid kombinierte sie dieses Verfahren mit der Transmissionselektronen-Mikroskopie, einer besonderen Form von Röntgenabsorptions-Spektroskopie, der Photoemissions-Spektroskopie, der Raman-Spektroskopie sowie elektrochemischen Messungen.
Die Studie zeigt, dass die kontinuierliche Auflösung von Chrom die Aktivität und Stabilität von Kobalt-Spinelloxid-Elektrokatalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion erheblich verbessern kann. Die Forschung könnte damit den Weg zu noch effizienteren und nachhaltigeren Katalysatoren ebnen. „Das neue atomare Verständnis ist entscheidend für die Optimierung von Elektrokatalysatoren für praktische Anwendungen, etwa die Produktion von Wasserstoff, einem vielversprechenden Energieträger für die Zukunft“, so Tong Li.
