Elektrokatalyse Katalysator für die Wasserspaltung charakterisiert

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Helmholtz-Zentrum Berlin

Aus Wasser Sauerstoff und Wasserstoff generieren – dies gelingt mit geeigneten Katalysatoren. Diese sind bislang aber noch zu teuer oder nicht effizient genug. Ein Team am Helmholtz Zentrum Berlin hat nun eine vielversprechende Katalysatorklasse genauer chemisch analysiert. Die Ergebnisse könnten zur wissensbasierten Entwicklung besserer Katalysatoren beitragen.

Sobald wie möglich müssen wir ohne fossile Brennstoffe auskommen, nicht nur im Energiesektor, sondern auch in der Industrie. Die aber ist auf Kohlenwasserstoffe und andere chemische Grundstoffe angewiesen, die bisher aus fossilen Ressourcen gewonnen werden. Solche Grundstoffe können im Prinzip mithilfe elektrokatalytisch aktiver Materialien und erneuerbar erzeugter Energie auch aus Wasser und Kohlendioxid hergestellt werden. Derzeit bestehen diese Katalysatormaterialien jedoch entweder aus teuren und seltenen Materialien oder sind nicht effizient genug.

Katalysatoren für die Herstellung von grünem Wasserstoff

Nanopartikel in Bestform

Ein Team vom Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) und der TU-Berlin um Dr. Prashanth W. Menezes hat nun Einblicke in die Chemie eines der aktivsten Katalysatoren für die anodische Sauerstoffentwicklungsreaktion (Oxygen evolution reaction, OER) gewonnen. Dies ist eine Schlüsselreaktion bei der Wasserspaltung, die Elektronen für die Wasserstoffentwicklungsreaktion (Hydrogen evolution reaction, HER) bereitstellt. Der Wasserstoff kann dann zum Beispiel zu Kohlenwasserstoffen weiterverarbeitet werden. Darüber hinaus spielt die OER auch bei der direkten elektrokatalytischen Reduktion von Kohlendioxid zu Alkoholen oder Kohlenwasserstoffen eine zentrale Rolle.

Die Frage der Oxidationsstufe

Eine vielversprechende Klasse von Elektrokatalysatoren für OER sind Kobalt-Eisen-Oxyhydroxide. Das Forschungsteam analysierte an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II des HZB eine Reihe von helikalen LiFe_1-xCo_x-Borophosphaten, die sich während der OER zu aktiven Kobalt-Eisen-Oxyhydroxiden umstrukturieren. Mit verschiedenen in situ Spektroskopietechniken gelang es, die Oxidationsstufen der Elemente Eisen und Kobalt zu bestimmen.

„Eisen spielt eine wichtige Rolle in OER-Katalysatoren auf Kobalt-Basis. Der genaue Grund dafür ist jedoch umstritten“, sagt Menezes. „Die meisten Studien gehen davon aus, dass Eisen in niedrigeren Oxidationsstufen (+3) Teil der aktiven Struktur ist. In unserem Fall konnten wir jedoch Eisen in Oxidationsstufen größer als 4 nachweisen, und außerdem zeigen, dass sich Bindungsabstände deutlich verkürzt haben. Damit können wir das katalytisch aktive Zentrum deutlich genauer verstehen.“

Grundlage für bessere OER-Katalysatoren

Elektrokatalysatoren ermöglichen den Ladungstransfer vom Substrat (hier Wasser) zu den Elektroden, was meist mit einer Änderung der Oxidationsstufen der Übergangsmetalle einhergeht. Diese Veränderungen des Oxidationszustands sind jedoch manchmal zu schnell, um erkannt zu werden. Dies macht es schwierig, das Funktionsprinzip des Katalysators zu verstehen, insbesondere wenn er zwei potenziell aktive Elemente wie Eisen und Kobalt enthält. „Wir hoffen, dass die detaillierte elektronische und strukturelle Beschreibung wesentlich zur Verbesserung von OER-Katalysatoren beitragen kann“, sagt Menezes. (clu)

Originalpublikation: Lukas Reith, Jan Niklas Hausmann, Stefan Mebs, Indranil Mondal, Holger Dau, Matthias Driess, Prashanth W. Menezes: In Situ Detection of Iron in Oxidation States ≥ IV in Cobalt-Iron Oxyhydroxide Reconstructed during Oxygen Evolution Reaction, Advanced Energy Materials (2023); DOI: 10.1002/aenm.202203886

* Dr. Antonia Rötger, Helmholtz-Zentrum Berlin, 14109 Berlin

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