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Katalysatoren für die Herstellung von grünem Wasserstoff Nanopartikel in Bestform

Von Meike Drießen*

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Mithilfe von Katalysatoren lässt sich Wasser elektrolytisch in Sauerstoff und Wasserstoff spalten – eine zentrale Reaktion für die Bereitstellung grüner Kraftstoffe. Doch wie müssen Katalysatoren beschaffen sein, um hier ideal zu funktionieren? Welche Form der Katalysator-Nanopartikel ist die beste? Das haben Forscher der Ruhr-Universität Bochum aufgeklärt.

Kugelig oder würfelförmig? Ein Team an der Ruhr-Universität Bochum hat nach der besten Form für Katalysator-nanopartikel zur Wasserstoffherstellung gesucht. Die Studie ist Coverstory der Zeitschrift „Advanced Functional Materials“.
Kugelig oder würfelförmig? Ein Team an der Ruhr-Universität Bochum hat nach der besten Form für Katalysator-nanopartikel zur Wasserstoffherstellung gesucht. Die Studie ist Coverstory der Zeitschrift „Advanced Functional Materials“.
(Bild: AG Nano EC)

Die Welt muss den CO2-Ausstoß senken, um dem Klimawandel zu begegnen. Dazu soll der heute häufig genutzte so genannte graue Wasserstoff, der aus Erdöl und Erdgas gewonnen wird, durch grünen Wasserstoff ersetzt werden, der aus erneuerbaren Quellen stammt. Grüner Wasserstoff kann durch Elektrolyse gewonnen werden, wobei Wasser mithilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Allerdings müssen noch einige Herausforderungen gemeistert werden, um die Elektrolyse konkurrenzfähig zu machen.

Aktuell ist die Effizienz des Wasserspaltungsprozesses begrenzt, und es fehlen leistungsfähige, langlebige und kostengünstige Katalysatoren dafür. „Die derzeit aktivsten Elektrokatalysatoren basieren auf den seltenen und teuren Edelmetallen Iridium, Ruthenium oder Platin“, sagt Prof. Dr. Kristina Tschulik, die den Lehrstuhl für Elektrochemie und nanoskalige Materialien an der Ruhr-Universität Bochum (RUB) leitet. „In der Wissenschaft haben wir daher die Aufgabe, neue hochaktive, edelmetallfreie Elektrokatalysatoren zu entwickeln.“

Welche Form ist die beste?

Tschuliks Gruppe untersucht Katalysatoren in Form von unedlen Metalloxid-Nanopartikeln. Industriell hergestellt variieren sie in Form, Größe und chemischer Zusammensetzung. „In Messungen werden so genannte Katalysatortinten untersucht, in denen Milliarden von Partikeln mit Bindern und Additiven vermischt sind“, erklärt Tschulik. Die Leistungserfassung von Katalysator-Partikeln gelang bisher allerdings nur wie mit Ruderern in einem Achter: Man konnte nur die durchschnittliche Leistung messen, nicht aber herausfinden, wer im einzelnen der Beste ist.

„Wenn man wüsste, welche Partikelform beziehungsweise Kristallfacette – das sind die Flächen, die nach außen zeigen – besonders aktiv ist, könnte man gezielt Partikel mit genau dieser Form herstellen“, sagt Dr. Hatem Amin, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der analytischen Chemie an der RUB.

Eine Studie an der Ruhr-Universität Bochum hat gezeigt, dass würfelförmige Nanopartikel (rechts) effizientere Katalysatoren für die Elektrolyse sind als kugelförmige.
Eine Studie an der Ruhr-Universität Bochum hat gezeigt, dass würfelförmige Nanopartikel (rechts) effizientere Katalysatoren für die Elektrolyse sind als kugelförmige.
(Bild: Kristina Tschulik)

Die Arbeitsgruppe hat eine Methode entwickelt, mit der einzelne Partikel direkt in Lösung analysiert werden können. Dadurch kann man die Aktivität von verschiedenen Nanomaterialien miteinander vergleichen und somit den Einfluss von Partikeleigenschaften wie deren Form und Zusammensetzung auf die Wasserspaltung aufklären. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass Kobaltoxid-Partikel in Form einzelner Würfel aktiver sind als Kugeln, die stets mehrere Facetten aufweisen.“

Basis für optimiertes Katalysator-Design

Die experimentelle Erkenntnis der Bochumer Gruppe wurde von den Kooperationspartnern um Prof. Dr. Rossitza Pentcheva von der Universität Duisburg-Essen bestätigt. Deren theoretische Untersuchungen weisen auf den Wechsel der aktiven Katalysatorbereiche hin: von Kobaltatomen, die oktaedrisch von Sauerstoffatomen umgeben sind, hin zu tetraedrisch umgebenen Kobaltatomen.

„Die Erkenntnisse über die Beziehung zwischen Partikelform und Aktivität legen die Basis für das wissensbasierte Design geeigneter Katalysatormaterialien und damit für die Transformation unserer fossilen Energie- und Chemieindustrie hin zu einer Kreislaufwirtschaft auf Basis erneuerbarer Energieträger und hochaktiver, langlebiger Katalysatoren“, fasst Tschulik zusammen. (clu)

Originalpublikation: Zhibin Liu, Hatem M. A. Amin, Yuman Peng, Manuel Corva, Rossitza Pentcheva, Kristina Tschulik: Facet-Dependent Intrinsic Activity of Single Co3O4 Nanoparticles for Oxygen Evolution Reaction, Advanced Functional Materials, 2022, Volume 33, Issue 1; DOI: 10.1002/adfm.202370006

* M. Drießen, Ruhr-Universität Bochum (RUB), 44801 Bochum

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