Grüner Wasserstoff: Perowskit-Oxid-Katalysatoren im Röntgenstrahl

Schematische Ansicht der transformierten Schicht (hellgrau) auf dem LaNiO<sub>3</sub> Perowskitfilm (gr&uuml;n), aufgewachsen auf einem Substrat (braun). Rechts ist die vergr&ouml;&szlig;erte Seitenansicht der transformierten Oxyhydroxid-Schicht (mit Spindichte an den Ni-Pl&auml;tzen) aus Simulationen dargestellt.

Schematische Ansicht der transformierten Schicht (hellgrau) auf dem LaNiO3 Perowskitfilm (grün), aufgewachsen auf einem Substrat (braun). Rechts ist die vergrößerte Seitenansicht der transformierten Oxyhydroxid-Schicht (mit Spindichte an den Ni-Plätzen) aus Simulationen dargestellt. © UDE/AG Pentcheva

Für die Herstellung von Grünem Wasserstoff sind Katalysatoren nötig, die den Prozess der Wasserspaltung in Sauerstoff und Wasserstoff steuern. Doch unter Spannung verändert sich die Struktur des Katalysators, was auch die katalytische Aktivität beeinflusst. Ein Forschungsteam aus den Universitäten in Duisburg-Essen und Twente hat u.a. an BESSY II untersucht, wie die Umwandlung von Oberflächen in Perowskit-Oxid-Katalysatoren die Aktivität der Sauerstoffentwicklungsreaktion steuert.

In einem klimaneutralen Energiesystem der Zukunft sorgen vor allem Sonne und Wind für die Bereitstellung von Strom. Ein Teil des „grünen“ Stroms kann für die elektrolytische Aufspaltung von Wasser genutzt werden, um „grünen“ Wasserstoff zu erzeugen. Wasserstoff ist ein effizienter Energiespeicher und ein wertvoller Rohstoff für die Industrie. Bei der Elektrolyse werden Katalysatoren eingesetzt, die die gewünschte Reaktion beschleunigen und den Prozess effizienter machen. Dabei werden für die Wasserstoff-Abscheidung andere Katalysatoren verwendet als für die Sauerstoff-Entwicklung, beide aber sind notwendig.

Perowskit-Oxid-Katalysatoren: preiswert und mit viel Potenzial

Eine interdisziplinäre und internationale Forschergruppe der Universität Essen-Duisburg, der Universität Twente, Forschungszentrum Jülich, sowie HZB hat nun die Klasse von Perowskit-Oxid-Katalysatoren für die Sauerstoff-Entwicklungs-Reaktion eingehend untersucht. Perowskit-Oxid-Katalysatoren sind in den letzten Jahren deutlich weiterentwickelt worden, sie sind preiswert und besitzen das Potenzial für weitere Steigerungen der katalytischen Effizienz. Allerdings zeigen sich binnen kurzer Zeit an den Oberflächen dieser Materialien Veränderungen, die die katalytische Wirkung mindern.

Spektroskopie an BESSY II

Daher hat die Gruppe nun insbesondere die Oberflächenstruktur eingehend untersucht und die experimentellen Daten mit Dichtefunktionalberechnungen abgeglichen. Das Team um den HZB-Forscher Dr. Marcel Risch führte dazu spektroskopische Analysen an der Röntgenquelle BESSY II durch. „Wir konnten feststellen, dass eine bestimmte Oberflächenfacette deutlich aktiver und gleichzeitig stabiler ist als andere. Durch die Röntgenanalyse können wir verstehen, wie man den traditionellen Kompromiss zwischen Aktivität und Stabilität überwinden kann“, sagt Risch. Die Ergebnisse zeigen auch, wie sich bestimmte Oberflächenfacetten umwandeln und wo sich beispielsweise Wasserstoffatome (bzw. Protonen) anlagern.

Diese Einblicke in Umwandlungsprozesse und strukturelle Umwandlungen und chemische Prozesse an den unterschiedlichen Facetten der untersuchten Proben sind wertvoll: Sie tragen dazu bei, gezielt und wissensbasiert Materialien als Elektrokatalysatoren zu designen. Denn Elektrokatalysatoren sind der Schlüssel für sehr viele Anwendungen in der grünen Chemie.

arö

  • Link kopieren

Das könnte Sie auch interessieren

  • Lithium-Schwefel-Batterien mit wenig Elektrolyt: Problemzonen identifiziert
    Science Highlight
    12.08.2025
    Lithium-Schwefel-Batterien mit wenig Elektrolyt: Problemzonen identifiziert
    Mit einer zerstörungsfreien Methode hat ein Team am HZB erstmals Lithium-Schwefel-Batterien im praktischen Pouchzellenformat untersucht, die mit besonders wenig Elektrolyt-Flüssigkeit auskommen. Mit operando Neutronentomographie konnten sie in Echtzeit visualisieren, wie sich der flüssige Elektrolyt während des Ladens und Entladens über mehrere Schichten verteilt und die Elektroden benetzt. Diese Erkenntnisse liefern wertvolle Einblicke in die Mechanismen, die zum Versagen der Batterie führen können, und sind hilfreich für die Entwicklung kompakter Li-S-Batterien mit hoher Energiedichte.
  • Selbst organisierte Monolage verbessert auch bleifreie Perowskit-Solarzellen
    Science Highlight
    04.08.2025
    Selbst organisierte Monolage verbessert auch bleifreie Perowskit-Solarzellen
    Zinn-Perowskit-Solarzellen sind nicht nur ungiftig, sondern auch potenziell stabiler als bleihaltige Perowskit-Solarzellen. Allerdings sind sie auch deutlich weniger effizient. Nun gelang einem internationalen Team eine deutliche Verbesserung:  Das Team identifizierte chemische Verbindungen, die von selbst eine molekulare Schicht bilden, welche sehr gut zur Gitterstruktur von Zinn-Perowskiten passt. Auf dieser Monolage lässt sich Zinn-Perowskit mit hervorragender optoelektronischer Qualität aufwachsen.
  • Schriftrollen aus buddhistischem Schrein an BESSY II virtuell entrollt
    Science Highlight
    23.07.2025
    Schriftrollen aus buddhistischem Schrein an BESSY II virtuell entrollt
    In der mongolischen Sammlung des Ethnologischen Museums der Staatlichen Museen zu Berlin befindet sich ein einzigartiger Gungervaa-Schrein. Der Schrein enthält auch drei kleine Röllchen aus eng gewickelten langen Streifen, die in Seide gewickelt und verklebt sind. Ein Team am HZB konnte die Schrift auf den Streifen teilweise sichtbar machen, ohne die Röllchen durch Aufwickeln zu beschädigen. Mit 3D-Röntgentomographie erstellten sie eine Datenkopie des Röllchens und verwendeten im Anschluss ein mathematisches Verfahren, um den Streifen virtuell zu entrollen. Das Verfahren wird auch in der Batterieforschung angewandt.