Grüner Wasserstoff: MXene als Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklung geeignet
Unter dem Rasterelektronenmikroskop zeigt die Oberfläche eines Vanadiumcarbid-MXens interessante, fast organisch wirkende Strukturen aus Kobalt-Kupfer-Hydroxid-Molekülen. © B. Schmiedecke/HZB
Die Materialklasse der MXene besitzt vielfältige Talente. Nun hat ein internationales Team um HZB-Chemikerin Michelle Browne gezeigt, dass MXene als Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion bei der elektrolytischen Wasserspaltung geeignet sind. Dabei arbeiten sie stabiler und effizienter als die derzeit besten Metalloxid-Katalysatoren. Das Team hat die neuartigen Katalysatoren für die elektrolytische Aufspaltung von Wasser nun umfassend an der Berliner Röntgenquelle BESSY II und am Synchrotron Soleil, Frankreich, charakterisiert.
Grüner Wasserstoff gilt als Energiespeicher der Zukunft. Das Gas kann klimaneutral mit Strom aus Sonne oder Wind durch die elektrolytische Aufspaltung von Wasser produziert werden. Während an der einen Elektrode Wasserstoff-Moleküle entstehen, bilden sich an der anderen Elektrode Sauerstoff-Moleküle. Diese Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) ist jedoch einer der begrenzenden Faktoren bei der Elektrolyse. Spezielle Katalysatoren sollen daher diese Reaktion erleichtern. Sehr gute Kandidaten für OER-Katalysatoren sind zum Beispiel Nickeloxide, die preisgünstig und breit verfügbar sind. Allerdings korrodieren sie rasch im alkalischen Wasser eines Elektrolyseurs und auch ihre Leitfähigkeit lässt zu wünschen übrig. Dies verhindert derzeit die Entwicklung von preiswerten, leistungsstarken Elektrolysegeräten.
MXene als Katalysatoren
Eine neue Materialklasse könnte daher eine Alternative bieten: MXene, geschichtete Materialien auf Basis von Metallen wie Titan oder Vanadium, die mit Kohlenstoff- oder Stickstoffverbindungen kombiniert werden. MXene zeichnen sich durch riesige innere Oberflächen aus, die sich fantastisch nutzen lassen, ob zum Speichern von Ladungen oder als Katalysatoren.
Ein internationales Team um Dr. Michelle Browne hat nun den Einsatz von MXenen als Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion untersucht. Dafür hatte Doktorand Bastian Schmiedecke die MXene chemisch „funktionalisiert“, durch das Andocken von Kupfer- und Kobalt-Hydroxiden an den Oberflächen. Die so hergestellten Katalysatoren erwiesen sich in Vortests als deutlich effizienter als die reinen Metall-Oxid-Verbindungen. Mehr noch, im Dauereinsatz zeigte sich keine Verschlechterung, sondern sogar eine Verbesserung der Effizienz.
Messungen an BESSY II
Warum dies so gut funktioniert, zeigten Messungen an der Röntgenquelle BESSY II, die mit Unterstützung durch Namrata Sharma and Tristan Petit stattfanden: „Dort konnten wir an der Maxymus-Beamline herausfinden, wie sich die äußeren Oberflächen der MXen-Proben vom Inneren unterscheiden“, erläutert Schmiedecke. Die Forschenden kombinierten Rasterelektronenmikroskopie (SEM/TEM), Röntgenbeugung (XRD), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) sowie Röntgentransmissionsmikroskopie (STXM) und Röntgenabsorptions-Nahkantenstruktur (XANES), um weitere Einblicke in das Material zu gewinnen.
Ausblick: Beobachtung im Einsatz
„Wir konnten zeigen, dass MXene ein großes Potenzial für den Einsatz als Katalysatoren in Elektrolyseuren besitzen“, sagt Michelle Browne. Die Zusammenarbeit mit den Partnerteams aus dem Trinity College in Dublin, Irland und der University of Chemistry and Technology in Prag soll dafür fortgesetzt werden. Das Team plant neben weiteren chemischen Variationen zu MXene-Katalysatoren auch Tests mit solchen Katalysatoren in gängigen Elektrolyseuren im Dauerbetrieb.
- Schlüsseltechnologie für eine Zukunft ohne fossile EnergieträgerIm Juni und Juli 2025 verbrachte der Katalyseforscher Nico Fischer Zeit am HZB. Es war sein „Sabbatical“, für einige Monate war er von seinen Pflichten als Direktor des Katalyse-Instituts in Cape Town entbunden und konnte sich nur der Forschung widmen. Mit dem HZB arbeitet sein Institut an zwei Projekten, die mit Hilfe von neuartigen Katalysatortechnologien umweltfreundliche Alternativen erschließen sollen. Mit ihm sprach Antonia Rötger.
- 5000. Patient in der Augentumortherapie mit Protonen behandeltSeit mehr als 20 Jahren bieten die Charité – Universitätsmedizin Berlin und das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) gemeinsam die Bestrahlung von Augentumoren mit Protonen an. Dafür betreibt das HZB einen Protonenbeschleuniger in Berlin-Wannsee, die medizinische Betreuung der Patienten erfolgt durch die Charité. Anfang August wurde der 5000. Patient behandelt.
- Iridiumfreie Katalysatoren für die saure Wasserelektrolyse untersuchtWasserstoff wird künftig eine wichtige Rolle spielen, als Brennstoff und als Rohstoff für die Industrie. Um jedoch relevante Mengen an Wasserstoff zu produzieren, muss Wasserelektrolyse im Multi-Gigawatt-Maßstab machbar werden. Ein Engpass sind die benötigten Katalysatoren, insbesondere Iridium ist ein extrem seltenes Element. Eine internationale Kooperation hat daher Iridiumfreie Katalysatoren für die saure Wasserelektrolyse untersucht, die auf dem Element Kobalt basieren. Durch Untersuchungen, unter anderem am LiXEdrom an der Berliner Röntgenquelle BESSY II, konnten sie Prozesse bei der Wasserelektrolyse in einem Kobalt-Eisen-Blei-Oxid-Material als Anode aufklären. Die Studie ist in Nature Energy publiziert.