Grüner Wasserstoff: Iridium-Katalysatoren mit Titanoxiden verbessern
Die Iridium-Atome (rot) sind in unterschiedliche Titanoxide eingebettet, die für mehr Stabilität sorgen. © Marianne van der Merwe
Anoden für die elektrolytische Aufspaltung von Wasser bestehen meist aus Iridium-basierten Materialien. Um die Stabilität des Iridium-Katalysators zu erhöhen, hat nun ein Team am HZB mit einer Gruppe des HI-ERN eine Probe hergestellt, in der die Konzentration von Iridium und Titanoxiden systematisch variiert. Analysen der einzelnen Probensegmente an BESSY II im EMIL-Labor zeigten, dass sich die Stabilität des Iridium-Katalysators signifikant steigern lässt.
Eine Option, um Energie aus Sonne oder Wind zu speichern, ist die Produktion von „grünem“ Wasserstoff durch Elektrolyse. Wasserstoff speichert Energie in chemischer Form und setzt sie bei Verbrennung wieder frei, wobei keine Abgase entstehen, sondern nur Wasser. Heute wird Iridium als „State-of-the Art“-Katalysator genutzt. Allerdings löst sich Iridium im sauren Milieu der Elektrolysezelle zunehmend auf, so dass die katalytische Wirkung schnell nachlässt.
„Wir wollten untersuchen, ob sich die Stabilität des Katalysators durch Beimischung unterschiedlicher Anteile von Titanoxid verbessert“, sagt Prof. Dr. Marcus Bär (HZB). Titanoxid ist katalytisch zwar nicht aktiv, aber stabil. „Wir hatten Hinweise darauf, dass die Titanoxid-Präsenz sich positiv auf die Stabilität auswirkt, ohne die katalytische Wirkung des Iridiums zu beeinflussen. Wir wollten aber auch herausfinden, ob es da ein ideales Mischungsverhältnis gibt.“
Eine Probe als Materialbibliothek
Die Probe wurde am Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI-ERN) im Team von Prof. Dr. Olga Kasian durch Aufsputtern von Titan und Iridium mit lokal variierender Zusammensetzung hergestellt. Es handelt sich um eine so genannte Dünnfilm-Materialbibliothek, auf der die Iridium-Anteile von 20 % bis 70 % variieren.
An BESSY II analysierte das Team mit röntgenspektroskopischen Methoden, wie sich die chemische Struktur in Abhängigkeit vom Iridium-Gehalt der gemischten Iridium-Titanoxidproben änderte. Dabei spielten mehrere Effekte eine Rolle: So verbesserte die Gegenwart von Titan-Suboxiden (wie TiO und TiOx) die Leitfähigkeit des Materials. Spannend war auch der Befund, dass sich ein Teil der Titanoxide schneller im wässrigen Elektrolyten löste als Iridium, wodurch Mikroporen an der Oberfläche entstanden. Dadurch kamen mehr Iridium-Atome aus unteren Lagen in Kontakt mit dem Elektrolyten, was die Sauerstoffentwicklungsreaktion beschleunigte. Der Haupteffekt war jedoch, dass die Anwesenheit von Titanoxiden (TiO2, sowie TiO und TiOx) tatsächlich die Auflösung von Iridium deutlich reduzierte. „Bei der Probe mit 30 % Titanzusatz im Vergleich zu einem reinen Iridium-Elektrodenmaterial konnten wir eine um etwa 70 % geringere Iridium-Auflösung sehen“, sagt Marianne van der Merwe, die die Messungen im Rahmen ihrer Promotion bei Marcus Bär durchgeführt hatte.
Praxisrelevanz hoch
Doch wie relevant sind solche Ergebnisse aus der Laborforschung für die Industrie? „Wenn es etablierte Technologien gibt, ist es zunächst immer schwer, etwas zu ändern“, sagt Marcus Bär. „Aber wir zeigen hier, wie sich mit überschaubarem Aufwand die Stabilität der Anoden erhöhen lässt.“
- Was die Zinkkonzentration in Zähnen verrätZähne sind Verbundstrukturen aus Mineralien und Proteinen, dabei besteht der Großteil des Zahns aus Dentin, einem knochenartigen, hochporösen Material. Diese Struktur macht Zähne sowohl stark als auch empfindlich. Neben Kalzium und Phosphat enthalten Zähne auch Spurenelemente wie Zink. Mit komplementären mikroskopischen Verfahren hat ein Team der Charité Berlin, der TU Berlin und des HZB die Verteilung von natürlichem Zink im Zahn ermittelt. Das Ergebnis: mit zunehmender Porosität des Dentins in Richtung Pulpa steigt die Zinkkonzentration um das 5- bis 10-fache. Diese Erkenntnis hilft, den Einfluss von zinkhaltigen Füllungen auf die Zahngesundheit besser zu verstehen und könnte Verbesserungen in der Zahnmedizin anstoßen.
- Faszinierendes Fundstück wird zu wertvoller WissensquelleDas Bayerische Landesamt für Denkmalpflege (BLfD) hat ein besonderes Fundstück aus der mittleren Bronzezeit nach Berlin geschickt, um es mit modernsten Methoden zerstörungsfrei zu untersuchen: Es handelt sich um ein mehr als 3400 Jahre altes Bronzeschwert, das 2023 im schwäbischen Nördlingen bei archäologischen Grabungen zutage trat. Die Expertinnen und Experten konnten herausfinden, wie Griff und Klinge miteinander verbunden sind und wie die seltenen und gut erhaltenen Verzierungen am Knauf angefertigt wurden – und sich so den Handwerkstechniken im Süddeutschland der Bronzezeit annähern. Zum Einsatz kamen eine 3D-Computertomographie und Röntgendiffraktion zur Eigenspannungsanalyse am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) sowie die Röntgenfluoreszenz-Spektroskopie bei einem von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) betreuten Strahlrohr an BESSY II.
- Topologische Überraschungen beim Element KobaltDas Element Kobalt gilt als typischer Ferromagnet ohne weitere Geheimnisse. Ein internationales Team unter der Leitung von Dr. Jaime Sánchez-Barriga (HZB) hat nun jedoch komplexe topologische Merkmale in der elektronischen Struktur von Kobalt entdeckt. Spin-aufgelöste Messungen der Bandstruktur (Spin-ARPES) an BESSY II zeigten verschränkte Energiebänder, die sich selbst bei Raumtemperatur entlang ausgedehnter Pfade in bestimmten kristallographischen Richtungen kreuzen. Dadurch kann Kobalt als hochgradig abstimmbare und unerwartet reichhaltige topologische Plattform verstanden werden. Dies eröffnet Perspektiven, um magnetische topologische Zustände in Kobalt für künftige Informationstechnologien zu nutzen.