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Übersicht zu Katalysatoren für die Wasserspaltung Wegweiser für die Forschung an Elektrokatalysatoren

Von Dr. Antonia Röger*

Weltweit arbeiten Wissenschaftler daran, neue Element-Kompositionen für die Wasserstoff-Synthese per Wasserspaltung zu testen. Da kommt einiges an Erkenntnissen zu Katalysatoren zusammen. Einen Überblick zum aktuellen Stand der Forschung bei metallischen oder nichtmetallischen Elementen hat nun ein internationales Team mit Beteiligung des Helmholtz-Zentrums Berlin zusammengestellt.

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Die Illustration veranschaulicht die Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff mit Hilfe von innovativen Elektrokatalysatoren. Wasserstoff kann als Brennstoff und chemischer Energiespeicher genutzt werden.
Die Illustration veranschaulicht die Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff mit Hilfe von innovativen Elektrokatalysatoren. Wasserstoff kann als Brennstoff und chemischer Energiespeicher genutzt werden.
(Bild: Dr. Ziliang Chen)

Berlin – Grüner Wasserstoff ist ein wichtiger Baustein in einem klimaneutralen Energiesystem. Er wird durch elektrolytische Spaltung von Wasser erzeugt, wobei die Energie für diese Reaktion aus Wind- oder Solarkraftanlagen stammen muss. Der generierte Wasserstoff dient als chemischer Energiespeicher und kann als Treibstoff gelagert und bei Bedarf wieder in andere Energieformen umgewandelt werden. Doch derzeit ist die Herstellung von grünem Wasserstoff noch nicht wirtschaftlich und effizient genug. Um dieses Problem zu lösen, müssen neue Elektrokatalysatoren entwickelt werden, die nicht nur mit hohem Wirkungsgrad arbeiten, sondern auch langlebig, leicht verfügbar und kostengünstig sein sollten.

Neben den Übergangsmetallen, deren katalytische Eigenschaften bereits gut erforscht sind, sind nun auch Elemente aus den Gruppen der Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Seltenerdmetalle oder Metalloide in den Fokus der Aufmerksamkeit gerückt. Einige Elemente aus diesen Gruppen könnten in Kombination mit Übergangsmetallen die Leistung von Katalysatoren erheblich verbessern und zur Entwicklung von Hochleistungs-Elektrokatalysatoren der nächsten Generation beitragen. Viele der Prozesse, die während der Elektrokatalyse bei der Bildung von Sauerstoff oder Wasserstoff ablaufen, sind jedoch noch nicht im Detail verstanden.

Status Quo und Perspektiven der Wasserspaltung

In einem frei zugänglichen Übersichtsartikel führt nun ein internationales Expertenteam durch dieses aktuelle Forschungsgebiet und skizziert die nächsten Schritte, die die Katalysatorforschung nehmen könnte. „Dieser Beitrag fasst den aktuellen Wissensstand über unkonventionelle Materialien zusammen und macht ihn für eine breitere Wissenschaftsgemeinschaft zugänglich“, sagt Dr. Prashanth W. Menezes, Leiter der Gruppe Materialchemie für Dünnschichtkatalyse am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und Leiter der Gruppe Anorganische Materialien an der TU Berlin.

Die Publikation im Fachjournal Advanced Materials beschreibe ausführlich die Rolle der verschiedenen Metalle bei der Elektrokatalyse, sowie die Modifizierungsstrategie, die man in Betracht ziehen könnte, wenn man Elektrokatalysatoren einsetzen will, die nicht auf Edelmetallen basieren, erklärt der Forscher. „Wir hoffen, mit diesem Übersichtsartikel die Forschung und Entwicklung an innovativen Katalysatormaterialien erheblich zu beschleunigen.“

Originalpublikation: Ziliang Chen, Hongyuan Yang, Zhenhui Kang, Matthias Driess, Prashanth W. Menezes: The Pivotal Role of s-, p-, and f-Block Metals in Water Electrolysis: Status Quo and Perspectives, Advanced Materials, First published: 01 February 2022, DOI: 10.1002/adma.202108432

* Dr. A. Röger, Helmholtz-Zentrum Berlin, 14109 Berlin

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