Wie Elek­tro­ly­se funk­tio­niert

Elektrokatalyse ist ein aus der Industrie nicht weg­zu­denken­der Prozess, bei dem elek­trische Energie direkt in chemische Energie umge­wandelt wird. Das wird zuneh­mend wichtig, da die Menge an elek­trischer Energie, die aus erneuer­baren Quellen erzeugt wird, nur bedingt den täg­lichen Verbrauchs­schwan­kungen ange­passt werden kann. Eine Möglich­keit über­schüs­sigen Strom für eine spätere Ver­wen­dung zu speichern, ist, ihn zur Wasser­stoff­erzeu­gung zu ver­wenden. Wasser­stoff ist ein speicher­barer Energie­träger mit enormem Poten­zial für die Zukunft. Wasser­stoff ent­steht durch die elektro­chemische Trennung von Wasser in seine Bestand­teile Wasser­stoff und Sauer­stoff. Um diese Trennung zu beschleu­nigen, werden Elektro­kata­ly­sa­toren ver­wendet. Je besser der Kata­ly­sator, desto effi­zienter und schneller ist die Wasser­elektro­lyse.

Elektro­kata­lyse trifft auf Atom­sonden­tomo­graphie. (Bild: O. Kasian, T. Li, MPIE)

Eine Gruppe aus Wissen­schaftlern vom MPI für Eisen­forschung, dem Helm­holtz-Institut für erneuer­bare Energien und der Uni­ver­si­täten Erlangen-Nürn­berg und Bochum haben jetzt durch die Ver­wen­dung von hoch­auf­ge­lösten Mikro­skopie­methoden heraus­ge­funden, dass die ersten atomaren Schichten an der Ober­fläche von Elek­tro­kata­ly­sa­toren chemische Ver­ände­rungen auf­weisen, die die Effi­zienz des Kata­ly­sators be­stimmen. Durch die Opti­mie­rung der Ober­fläche ist es somit mög­lich die Wasser­elek­tro­lyse zu be­schleu­nigen. Das ist ein wich­tiger Schritt in Rich­tung einer nach­haltigen Wasser­stoff­wirt­schaft.

Um effi­zien­tere Elektro­kata­ly­sa­toren für die Energie­um­wand­lung zu ent­wickeln, ist ein tiefes Ver­ständ­nis des Zu­sam­men­hangs zwischen Ober­flächen­zu­sam­men­set­zung und elektro­che­mischen Ver­halten in ope­rando not­wendig. Nach momen­tanem Stand der Wissen­schaft ist die Sauer­stoff­evo­lu­tions­reakt­ion der be­stim­mende Schritt der Wasser­elek­tro­lyse. Das ist zu einem großen Teil der Ver­ände­rung der Ober­flächen­zu­sam­men­set­zung des Kata­ly­sators während dieser Reak­tion geschuldet.

„Das Element Iridium ist als Elektrokatalysator mit hoher Akti­vität und Lang­zeit­stabi­lität bekannt. Durch die Ver­wen­dung von Photo­elek­tronen­spektro­skopie und einer elektro­chemischen Durch­fluss­zelle haben wir bereits Messungen zu elektro­nischen Eigen­schaften, sowie Akti­vität und Stabi­lität des sich bildenden Ober­flächen­oxids durch­ge­führt.“, sagt Olga Kasian vom MPIE. Mit­hilfe einer Atom­sonde unter­suchten die Wissen­schaftler die Kata­ly­sa­toren. Betrachtet wurden die besonders inte­res­santen frühen Stadien des Betriebs, in denen eine erhöhte Akti­vität fest­ge­stellt wurde, sowie die späteren Stadien, in denen eine Abnahme des Wasser­stoff­gehalts während der Elektro­lyse beob­achtet wird.

Durch das räumliche Auflösungsvermögen der Atom­sonde konnten die dafür ver­ant­wort­lichen Ober­flächen­struk­turen drei­dimen­sional abge­bildet werden, auf­ge­löst nach chemischen Ele­menten. Baptiste Gault vom MPIE erklärt: „Unsere Unter­suchungen zeigen, dass Oxid­cluster sich ver­mehrt an bestimmten Mikro­struk­turen, wie zum Beispiel an Korn­grenzen, bilden. Nach längerer Wasser­elektro­lyse konzen­trieren sich die Wasser­mole­küle und Hydroxyl­gruppen in Oxid­clustern und bleiben an der Ober­fläche. Das haben wir durch Markieren mit Isotopen nach­ge­wiesen. Genau diese Oxid­cluster sind dafür ver­ant­wort­lich, dass die Effi­zienz der Kata­ly­sa­toren im Laufe der Elektro­lyse sinkt.“

Das Team kommt daher zu dem Schluss, dass die Akti­ität und Stabi­lität von Iridium während der Sauer­stoff­evo­lu­tions­reak­tion stark von den nano­skaligen Ände­rungen der Ober­flächen­zu­sam­men­setzung abhängt. „Dieser inno­va­tive Ansatz stellt eine bedeu­tende Grund­lage für die Ent­wick­lung von Material­systemen und elektro­chemischen Reak­toren für die Energie­um­wand­lung und ‑speiche­rung dar“, sagt Karl Mayr­hofer vom Helm­holtz-Institut für erneuer­bare Energien. Die Wissen­schaftler konnten auch zeigen, wie die Kombi­nation von elektro­chemischen Messungen und Atom­sonden­tomo­graphie das Ver­ständ­nis der Bezie­hungen zwischen Ober­flächen­struktur, -zustand und -funktion bei der Elektro­katalyse ver­bessert werden kann. Das ist eine Voraus­setzung, um Wasser­elektro­lyse zu einer nach­haltigen Energie­speicher­techno­logie zu machen. (Quelle: MPIE / pro-physik.de)

Referenz: T. Li et al.: Atomic-scale insights into surface species of electrocatalysts in three dimensions, Nat. Catalyses, online 26. März 2018; DOI: 10.1038/s41929-018-0043-3

Links: Abt. Mikrostrukturphysik und Legierungsdesign (D. Raabe), Max-Planck-Institut für Eisenforschung, Düsseldorf • Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für erneuerbare Energien (K. Mayrhofer)

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