Iridiumfreie Katalysatoren für die saure Wasserelektrolyse untersucht
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Katalysators auf Kobaltbasis auf einem Fasersubstrat (Aufnahme nachträglich koloriert) und schematische Darstellung der operando-Materialcharakterisierung mittels diverser Techniken, dargestellt durch künstlich hinzugefügte Lichtstrahlen, Blasen und ansteigende Spektren. © Marc Tesch/MPI-CEC
Wasserstoff 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.
Die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) bei der Wasserelektrolyse benötigt besondere katalytische Unterstützung. Doch Iridium-Katalysatoren sind aufgrund des Preises und der limitierten Verfügbarkeit für einen Einsatz im großen Maßstab problematisch, es gilt also Alternativen zu finden.
Ein internationales Team unter der Leitung von Dr. Alexandr N. Simonov von der Monash University in Melbourne, Australien, hat nun die saure Sauerstoffentwicklungsreaktion an Kobalt-basierten Katalysatoren untersucht und dabei die Veränderungen an den aktiven Kobaltstellen aufgeklärt. Dafür setzten die Forschungsteams mehrere Methoden ein und kombinierten die Erkenntnisse zu einem neuen Bild.
Prozesse während der Katalyse
Die Stabilisierung der Katalysatoren während der OER umfasst das Zusammenspiel von Korrosions- und Oxidationsprozessen und gilt als Schlüssel zur Katalysatorentwicklung. „In dieser Studie haben wir aufgedeckt, dass die Korrosions- und Ablagerungsprozesse nicht direkt mit dem katalytischen Prozess gekoppelt sind, sondern parallel ablaufen“, sagt Dr. Marc Tesch vom Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion, einer der Autoren der Studie. Die zeitaufgelösten Messungen zeigen außerdem, dass die Entwicklung des Katalysators zu einem stabilisierten aktiven Zustand kein schneller Prozess ist, sondern auf einer Zeitskala von Minuten abläuft. Die Röntgenspektroskopie zeigt, dass die katalytisch aktiven Kobaltstellen während der sauren OER einen Oxidationszustand höher als 3+ annehmen und keine Fernordnung aufweisen. Damit unterscheiden sie sich von zuvor beschriebenen Kobalt-μ-(Hydr)oxo-Strukturen, welche in neutraler und basischer Reaktionsumgebung vorliegen.
Internationale Zusammenarbeit unter Corona-Bedingungen
Ein wesentlicher Teil der Forschung wurde während der Corona-Pandemie am BESSY II durchgeführt, als internationale Reisen und der externe Zugang zur Synchrotronanlage stark eingeschränkt waren. „Daher war die Unterstützung durch das lokale Team am BESSY II besonders wichtig“, sagt Tesch.
Die Erkenntnisse sind hilfreich, um kostengünstige Anodenkatalysatoren auf Kobaltbasis für den Einsatz in Protonenaustausch-Wasserelektrolyseuren zu entwickeln.
- BESSY II: Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von FeststoffbatterienFeststoffbatterien sind sicher und leistungstark, aber ihre Kapazität nimmt zurzeit noch rasch ab. Ein Team der TU Wien, der Humboldt-Universität zu Berlin und des HZB hat nun eine TiS₂|Li₃YCl₆-Halbzelle an BESSY II analysiert. Dafür nutzte das Team eine spezielle Probenumgebung, die eine zerstörungsfreie Untersuchung unter realen Betriebsbedingungen ermöglicht. Durch die Kombination von Weich- und Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS und HAXPES) konnte ein neuer Degradationsmechanismus identifiziert werden. Dabei spielte das Element Sauerstoff eine besondere Rolle. Die Studie liefert wertvolle Einblicke, um Design und Fertigung von Feststoffbatterien zu verbessern.
- Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen DoppelschichtsystemenSpintronische Bauelemente ermöglichen Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieverbrauch. Sie basieren auf der Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten. Nun ist es einem Team von Freier Universität Berlin, HZB und Universität Uppsala gelungen, für jede Schicht separat zu verfolgen, wie sich die magnetische Ordnung verändert, nachdem ein kurzer Laserpuls das System angeregt hat. Dabei konnten sie auch die Hauptursache identifizieren, die für den Verlust der antiferromagnetischen Ordnung in der Oxidschicht sorgt: Die Anregung wird von den heißen Elektronen im ferromagnetischen Metall zu den Spins im Antiferromagneten transportiert.
- Elektrokatalysatoren: Ladungstrennung an der Fest-Flüssig-Grenzfläche modelliertWasserstoff spielt für die Wende hin zur CO₂-Neutralität eine entscheidende Rolle, sowohl als Energieträger als auch als Ausgangsstoff für die grüne Chemie. Die großtechnische Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse sowie vieler anderer chemischer Produkte erfordert jedoch deutlich kostengünstigere und effizientere Katalysatoren. Um Elektrokatalysatoren gezielt zu verbessern, ist es von großem Nutzen, die elektrochemischen Prozesse genau zu verstehen, die an der Grenzfläche zwischen dem festen Katalysator und dem flüssigen Medium ablaufen. Ein europäisches Team hat In der Fachzeitschrift Nature Communications ein leistungsfähiges Modell vorgestellt, das die Ladungstrennung an der Grenzfläche, die Bildung der elektrischen Doppelschicht sowie deren Einfluss auf die katalytische Aktivität hervorragend beschreibt.