Grüner Wasserstoff: MXene steigert die Wirkung von Katalysatoren

Links ist die blätterteigartige Struktur der MXene-Probe unter dem Rasterelektronenmikroskop zu sehen. Rechts das resultierende Kompositmaterial nach der Einlagerung von Kobalt-Eisen in die MXene-Struktur.

Links ist die blätterteigartige Struktur der MXene-Probe unter dem Rasterelektronenmikroskop zu sehen. Rechts das resultierende Kompositmaterial nach der Einlagerung von Kobalt-Eisen in die MXene-Struktur. © HZB

An den enorm großen inneren Oberflächen von MXenen können sich katalytisch aktive Partikel anheften. Mit diesem raffinierten Trick lässt sich ein preiswerter und viel effizienterer Katalysator für die Sauerstoffentwicklungsreaktion realisieren, die bei der Erzeugung von grünem Wasserstoff bislang als Engpass gilt. Dies hat eine internationale Forschergruppe um die HZB-Chemikerin Michelle Browne nun in einer aufwendigen Untersuchung nachgewiesen. Die Studie ist in Advanced Functional Materials veröffentlicht.

Grüner Wasserstoff soll im Energiesystem der Zukunft eine wichtige Rolle spielen: als chemischer Energiespeicher, als Rohstoff für die Chemieindustrie und eventuell auch für klimafreundliche Treibstoffe. Grüner Wasserstoff lässt sich nahezu klimaneutral erzeugen, wenn die Energie für die elektrolytische Aufspaltung von Wasser in seine Elemente aus Sonne oder Wind kommt. Zusätzlich werden jedoch spezielle Katalysatoren benötigt, um die Entwicklung von Wasserstoff und Sauerstoff an den beiden Elektroden zu beschleunigen. Vor allem die Sauerstoffentwicklungsreaktion ist träge und würde ohne gute Katalysatoren deutlich mehr Energie kosten. Solche Katalysatoren bestehen jedoch heute noch aus Edelmetallen, die selten und teuer sind. Damit grüner Wasserstoff in den benötigten Mengen und preisgünstig hergestellt werden kann, werden jedoch Katalysatoren aus reichlich verfügbaren Elementen benötigt.

MXene mit Blätterteigstruktur

Am HZB entwickelt ein Team um Michelle Browne raffinierte Alternativen, die auf so genannten MXenen basieren. MXene sind blätterteigartige Strukturen aus Kohlenstoff und so genannten Übergangsmetallen. Katalytisch aktive Partikel könnten sich an die inneren Oberflächen in MXenen anlagern und dadurch eine stärkere katalytische Wirkung entfalten. Dass diese Idee funktioniert, zeigt nun eine neue Studie in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials.

Varianten mit Fehlstellen

Erstautor Can Kaplan hat als Basis dafür unterschiedliche Varianten eines Vanadiumcarbid-MXenes verwendet. Dazu nutzte er einen Forschungsaufenthalt im Labor der schwedischen Kooperationspartner an der Linköping University, den er im Rahmen eines Austauschprogramms während seiner Promotion einplanen konnte.  „Wir konnten dort zwei MXene-Varianten synthetisieren, reines V2CTx und V1,8CTx mit 10 % Vanadiumvakanzen.  Die Vanadium-Fehlstellen sorgen dafür, dass in dieser Variante die innere Oberfläche noch einmal deutlich größer ausfällt“, erläutert Can Kaplan.

Einlagerung von Kobalt-Eisen

Im HZB-Labor von Michelle Browne entwickelte Kaplan dann ein mehrschrittiges chemisches Verfahren, um Katalysatorpartikel aus Co0,66Fe0,34 in die MXene einzubetten. Dass dies gelang, zeigen die Aufnahmen der Proben mit dem Rasterelektronenmikroskop: die reinen MXene zeichnen sich durch eine blätterteigartige Struktur aus, die sich durch Einlagerung von Kobalt-Eisen-Partikeln deutlich veränderte.

Top: CoFe im MXene mit vielen Fehlstellen

Dann untersuchte das Team die Wirkung der unterschiedlichen Katalysator-Proben im Einsatz während der Elektrolyse.  Die Ergebnisse waren sehr eindeutig: Auch Kobalt-Eisen wirkt bereits als Katalysator. Eingebettet in MXene steigt jedoch die katalytische Wirkung deutlich an. Und nochmals stärker wird sie, wenn Kobalt-Eisen in ein MXene mit zahlreichen Fehlstellen eingebettet wird.

Mit In-situ-Röntgenabsorptionsspektroskopie an der Synchrotronquelle SOLEIL in Frankreich konnte das Team verfolgen, wie sich die Oxidationszahlen von Kobalt und Eisen im Lauf der elektrolytischen Reaktion veränderte.

Auch für die Industrie interessant

„Wir haben diesen Katalysator sowohl im Labormaßstab getestet als auch in einem deutlich größeren Elektrolyseur“, betont Kaplan. „Das macht unsere Ergebnisse wirklich aussagekräftig und auch interessant für eine industrielle Anwendung.“

Aktuell hat die Industrie MXene als Trägermaterial für katalytisch aktive Partikel noch nicht auf dem Schirm“, sagt Michelle Browne. „Wir leisten hier Grundlagenforschung, die aber eine klare Anwendungsperspektive hat: Unsere Ergebnisse haben nun erste Einblicke in das komplexe Zusammenspiel zwischen Trägerstruktur, Einbettung von katalytisch aktiven Partikeln und katalytischer Aktivität geliefert.“ Ihr Fazit ist: Bei der Entwicklung von innovativen, sehr effizienten und preisgünstigen Katalysatoren lohnt es sich, auch MXene zu betrachten.

arö

  • Link kopieren

Das könnte Sie auch interessieren

  • HZB gratuliert Peter Hegemann zum Nobelpreis
    Nachricht
    14.10.2026
    HZB gratuliert Peter Hegemann zum Nobelpreis
    Unser herzlicher Glückwunsch geht an Peter Hegemann, Professor für Neurowissenschaften und für Experimentelle Biophysik an der Humboldt-Universität zu Berlin. Gemeinsam mit Prof. Georg Nagel (Julius-Maximilians-Universität Würzburg) und Prof. Karl Deisseroth (Stanford University, USA) hat er den Nobelpreis für Medizin oder Physiologie 2026 gewonnen. Wir freuen uns sehr für ihn, sein Team, die Humboldt-Universität und die gesamte Berliner Wissenschaft.
  • Wissenschaft in Berlin: Kooperativ, vielfältig, innovativ, international
    Nachricht
    12.10.2026
    Wissenschaft in Berlin: Kooperativ, vielfältig, innovativ, international
    Wissenschaft ist ein zentraler gesellschaftlicher und wirtschaftlicher Faktor für Berlin. Sie schafft Arbeitsplätze und Wertschöpfung, zieht Talente aus aller Welt an und bereichert das Stadtleben durch offenen Wissensaustausch und Transfer. Eine Investition, die sich auszahlt. Damit Berlin auch in Zukunft zu den international führenden Wissenschaftsstandorten gehört, muss Wissenschaft noch stärker auf die politische Agenda. Dafür steht BR50: über 50 außeruniversitäre Forschungseinrichtungen, darunter das HZB, bündeln in diesem Netzwerk ihre Kräfte. Mit einem Positionspapier wendet sich BR50 nach der Wahl in Berlin nun an die Politik, flankiert von der Kampagne „𝗪𝗶𝗿 𝗳𝗼𝗿𝘀𝗰𝗵𝗲𝗻 𝗳ü𝗿 𝗕𝗲𝗿𝗹𝗶𝗻.“ 
  • Gibt es eine Afrikanische Architektur?
    Interview
    08.10.2026
    Gibt es eine Afrikanische Architektur?
    Die weltweit erste Pan-African Biennale zu Architektur fand in diesem September in Nairobi, Kenia statt. Menschen aus Architektur, Kunst, Wissenschaft und Politik aus 54 afrikanischen Ländern und der Diaspora waren nach Nairobi gekommen, um sich dort auszutauschen: Zu traditionellen und aktuellen Bauweisen, Materialien, Erfahrungen und Projekten. Samira Aden hat diese Biennale als leitende Kuratorin mit organisiert. Wir haben mit ihr gesprochen.