Preiswert Wasserstoff spalten

Christoph Schwanke und Lifei Xi bereiten die Zelle für die Operando Röntgen­absorp­tions­spektro­skopie vor. (Bild: HTB)

Berliner Forscher haben mehr als hundert Eisen-Nickel-Katalysatoren mit unterschiedlichen Beimischungen von Chrom untersucht. Dabei analysierten sie an BESSY-II auch die elektronischen Strukturen der einzelnen Elemente. Sie zeigten, dass ein steigender Chrom­anteil vor allem die elektronische Struktur des Eisens beeinflusst, die wichtig für die Wirkung als Katalysator ist. Die Ergebnisse dieser Hoch­durchsatz­studie helfen bei der wissens­basierten und gezielten Suche nach besseren Katalysatoren.

Katalysatoren können chemische Reaktionen beschleunigen, bleiben selbst dabei jedoch unverändert. Sie werden für viele Reaktionen benötigt, auch wenn man mit Sonnenlicht Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten will, um die Sonnen­energie chemisch abzuspeichern. Doch die besten Katalysatoren für diese Reaktion bestehen immer noch aus Platin oder anderen seltenen Elementen. Damit sind sie zu teuer für einen breiten Einsatz. Überall suchen daher Forscher nach Alternativen.

Doch wie findet man eigentlich neue gute Katalysatoren? Und warum sind manche Materialien ein besserer Katalysator als andere, obwohl sie sich vielleicht in ihrer Zusammen­setzung nur geringfügig unterscheiden? Zusammen mit ihren Partnern von der Universität Bochum hat sich das Team um Kathrin Aziz-Lange, Nachwuchs­gruppe Operando Characterization of Solar Fuel Materials, dieser Frage­stellung gewidmet.

Sie wählten dafür ein Materialsystem aus Eisen, Nickel und Sauerstoff, das derzeit als besonders viel­versprechender Kandidat für Katalysatoren gilt. Dann mischten sie als drittes Metall Chrom hinzu, das die Effizienz noch erhöhen kann. Sie stellten jedoch nicht nur ein Material her, sondern eine ganze „Material­bibliothek“, in welcher die Zusammen­­setzung der drei Metalle fließend variierte, insgesamt über hundert Proben. Damit konnten sie dann empirisch herausfinden, wie das Einbringen von Chrom in den Katalysator die Reaktions­geschwin­digkeit verändert und welche Material­strukturen höhere Geschwin­dig­keiten ermöglichen.

Beimischungen von Chrom erhöhen die katalytische Wirkung – sichtbar an der Stromdichte, die von rot zu grün ansteigt. (Bild: HZB / RUB)

Bei allen Proben bestimmten sie die Leistungsfähigkeit der Katalysatoren. Parallel dazu untersuchten sie mit spektro­skopischen Methoden an der Berliner Synchrotron­quelle BESSY-II die elektronischen Strukturen der einzelnen Elemente, die mit der katalytischen Aktivität im Zusammenhang stehen. „Insgesamt haben wir mehr als 500 Spektren von der Material­bibliothek aufgenommen“, erklärt Christoph Schwanke.

Wie die Ergebnisse dieser Hochdurchsatz­studie zeigen, verändern sich die elektronischen Strukturen um Nickel und Chrom bei steigendem Chromgehalt kaum. Allerdings verändert der steigende Chromanteil die Energielevel der Elektronen des Eisens. „Wir konnten beobachten, dass die Leistungs­fähigkeit des Katalysators mit einer bestimmten elektronischen Struktur des Eisens einhergeht “, erklärt Lange. „Dies ist eine wichtige Information, nicht nur zum tieferen Verständnis von katalytischen Materialien, sondern auch für die gezielte Synthese von guten Katalysatoren.“

Die Studie gibt Hinweise für die systematische und wissensbasierte Entwicklung von neuen Katalysatoren. Die kombinatorische Material­forschung erlaubt hierbei, sehr viele Materialien in kurzer Zeit zu untersuchen und dabei die Kandidaten zu identifizieren, die besonders viel­versprechend sind. (Quelle: HZB / pro-physik.de)

Referenz: C. Schwanke et al.: Correlating Oxygen Evolution Catalysts Activity and Electronic Structure by a High-Throughput Investigation of Ni1-yzFeyCrzOx, Sci. Rep. 7, 44192 (2017); DOI: 10.1038/srep44192

Link: Operando Characterization of Solar Fuel Materials (K. Aziz-Lange), Helmholtz-Zentrum Berlin

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