Materialwissenschaft Was bei der Elektrokatalyse auf atomarer Ebene passiert
Die Erkenntnisse könnten eines Tages die Produktion von Wasserstoff effizienter machen.
Was sich in der obersten Schicht von Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion durch Wasserspaltung abspielt, haben Materialwissenschaftler im Detail untersucht. Mit einer Kombination von Methoden beobachteten sie Veränderungen in den obersten Atomlagen während der Reaktion, die die Stabilität und Aktivität des Katalysators beeinflussen.
Sauerstoffentwicklung schadet der Oberfläche
Wasserstoff kann durch die Spaltung von Wasser mittels elektrischer Energie gewonnen werden; dabei entstehen Wasserstoff und Sauerstoff. Der Flaschenhals bei der Entwicklung effizienterer Produktionsprozesse ist derzeit die Teilreaktion, in der Sauerstoff gebildet wird, die sogenannte Oxygen Evolution Reaction. Diese verändert die Zusammensetzung der Katalysatoroberfläche, was die katalytischen Eigenschaften während der Wasserspaltung verschlechtert.
„Wenn wir die Elektrokatalysatoren optimieren wollen, müssen wir im Detail verstehen, wie die Zusammensetzung der Katalysatoroberfläche und ihr elektrochemisches Verhalten zusammenhängen“, sagt Prof. Dr. Tong Li vom Institut für Materialwissenschaft und Zentrum für Grenzflächendominierte Höchstleistungswerkstoffe der RUB, die früher am Max-Planck-Institut für Eisenforschung tätig war.
Katalysatoraktivität beeinträchtigt
Das Team untersuchte beispielhaft einen Iridium-Katalysator. Unter anderem mit der Atomsondentomografie und Transmissionselektronenmikroskopie, beides Spezialgebiete von Tong Li, erstellten die Forscherinnen und Forscher eine dreidimensionale Repräsentation der chemischen Spezies, die sich in den oberen Schichten des Katalysators bei der Reaktion bildeten – mit nahezu atomarer Auflösung.
Sie zeigten, dass zu Beginn der Oxygen Evolution Reaction an bestimmten Stellen im Katalysator Oxid-Inseln entstehen. An diesen Inseln sammeln sich bei fortschreitender Reaktion Wassermoleküle und Hydroxylgruppen an, was die Aktivität des Katalysators beeinträchtigt.
Die Ergebnisse beschreibt Tong Li gemeinsam mit Kollegen des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung, des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg in der Fachzeitschrift „Nature Catalysis“.
