Elektrokatalysatoren: Ladungstrennung an der Fest-Flüssig-Grenzfläche modelliert

Wasserstoff 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.

Die Elektrokatalyse ist eine Technologie mit enormem Potenzial: Mit geeigneten Elektrokatalysatoren und Ökostrom lässt sich Wasserstoff nahezu klimaneutral herstellen oder – ein weiteres wichtiges Beispiel – CO₂ in Kohlenwasserstoffe umwandeln. Leider bestehen herkömmliche Katalysatoren aus seltenen Edelmetallen wie Platin oder Iridium. Kostengünstige Katalysatoren, z.B. aus Übergangsmetallhydroxiden, wurden bislang nur für bestimmte Teilreaktionen entwickelt. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass auch die Beschichtung metallischer Oberflächen mit Nickelhydroxid-Nanoclustern die katalytische Aktivität steigern kann.

Bislang war jedoch unklar, warum dies funktioniert. „Obwohl Veränderungen in der Struktur des Elektrolyten nahe der Grenzfläche nachgewiesen wurden, war nicht wirklich verstanden, was an der Grenze zwischen der festen Elektrode und dem flüssigen Elektrolyten geschieht, wo diese Reaktionen stattfinden. Diese Grenzfläche ist von Natur aus komplex, da sie sowohl die Physik des festen Materials als auch die Chemie der Flüssigkeit umfasst“, sagt Arsène Chemin vom Institut Lumière Matière und der Université Claude Bernard Lyon 1.

Chemin und sein Kollege David Amans haben zusammen mit Tristan Petit und Louis Godeffroy vom Helmholtz-Zentrum Berlin ein Modell entwickelt, das auf Festkörperphysik basiert und die Metall/Halbleiter/Elektrolyt-Grenzfläche während der Elektrokatalyse beschreibt. Indem das Modell das Fermi-Niveau zusammen mit dem chemischen Potential in einem einheitlichen Bild betrachtet, schlägt es eine Brücke zwischen Festkörperphysik und Chemie und stellt eine direkte Verbindung zu elektrokatalytischen Formalismen wie der Butler-Volmer-Kinetik her.

„Konkret berücksichtigen wir die Potentialbarrieren und elektrischen Felder an der Grenzfläche, die durch den Ladungstransfer induziert werden. Dabei klären wir den Ursprung der Ladungstrennung an der Grenzfläche auf und zeigen, wie sich eine elektrische Doppelschicht bildet, die das lokale elektrische Potential beeinflusst“, sagt Petit. „Tatsächlich scheint das lokale elektrische Potential bei den meisten Metallelektroden der limitierende Faktor für die katalytische Aktivität zu sein!“, fügt Chemin hinzu. Das Modell liefert zudem Hinweise, wie die elektrokatalytische Aktivität von Dünnschichtkatalysatoren gesteigert werden kann: beispielsweise durch Aufbringen einer dünnen Halbleiterschicht (1 bis 10 nm) auf eine Metallelektrode. Das neue Modell bietet theoretische Kriterien für die Konstruktion effektiver Elektroden und kann als Leitfaden für die Entwicklung neuer Materialien dienen. Die weitaus detaillierteren Einblicke in elektrochemische Vorgänge an Fest-Flüssig-Grenzflächen, die dadurch ermöglicht werden,  sind hilfreich, um mit gezielteren Designstrategien neue Materialien für die Elektrokatalyse, Batterien, aber auch für andere Energieumwandlungstechnologien zu entwickeln.