Robuste und güns­tige Kata­lysa­toren für die Wasser­stoff­her­stel­lung

Die kleinsten Details der Wasserstoff­produktion am synthe­tischen Mineral Pent­landit konnten die Wissen­schaftler­teams von Wolfgang Schuh­mann und Ulf-Peter Apfel von der Ruhr-Univer­sität Bochum und das Team um Patrick Unwin von der Univer­sität Warwick beob­achten. Das erlaubt es, Strate­gien für das Design robuster und kosten­günstiger Kataly­satoren für die Wasser­stoff­herstel­lung zu entwickeln.

Das Bochumer Team mit Tsve­tan Tarnev, Corina Andro­nescu und Mathias Smial­kowski (von links) im Labor (Bild: RUB, Marquard)

Wasserstoff gilt als mög­licher zukünftiger Energie­träger und lässt sich mit Platin­kataly­satoren und Elektri­zität aus Wasser herstellen. Alter­native Kataly­satoren aus billi­geren und leichter verfüg­baren Materi­alien mit genauso hoher Effi­zienz sind jedoch kaum bekannt.

Wie Platin gibt es eine Reihe von Materi­alien, die in der Lage sind, die Reaktion von Wasser zu Wasser­stoff zu kataly­sieren. „Dazu zählen auch Metall-Chalko­genide wie das Mineral Pent­landit, das ähnlich effizient ist wie Platin und darüber hinaus deutlich stabiler gegenüber Kataly­sator­giften wie Schwefel ist“, erläutert Apfel. Pent­landit besteht aus Eisen, Nickel und Schwefel. Seine Struktur ähnelt der der kataly­tischen Zentren von wasser­stoff­produ­zierenden Enzymen, die unter anderem in Grün­algen vorkommen.

Die Forscher untersuchten die Wasser­stoff­produk­tions­raten an künstlich herge­stellten kristal­linen Ober­flächen von Pent­landit in einem Flüssig­keits­tropfen mit einem Durch­messer von wenigen hundert Nano­metern. Dazu nutzten sie die elektro­chemische Raster­zell­mikro­skopie.

So konnten sie aufklären, wie die Struktur und Zusammen­setzung des Materials die elektro­kataly­tischen Eigen­schaften des Eisen-Nickel­sulfids beein­flussen. Schon kleinste Änderungen des Verhält­nisses zwischen Eisen und Nickel durch Variation der Synthese­bedingungen oder die Alterung des Mate­rials verän­derten die Aktivität bei der elektro­chemischen Wasser­stoff­bildung erheb­lich. „Mit diesen Erkennt­nissen können wir jetzt weiter­arbeiten und Strate­gien entwickeln, um viele weitere robuste und billige Kataly­satoren zu verbessern“, so Apfel.

Die Forscher zeigten außerdem, dass sich mit der elektro­chemischen Raster­zell­mikro­skopie Informationen über Struktur, Zusammen­setzung und elektro­chemische Aktivität der Materi­alien orts­aufgelöst verknüpfen lassen. Die Methode macht es also möglich, Kataly­satoren gezielt zu designen und so hoch­aktive Materialien herzustellen. „Diese Methode wird daher zukünftig eine wichtige Rolle bei der Suche nach elektro­kata­lytisch aktiven, heterogenen Kataly­satoren spielen“, sagt Schuhmann. (Quelle: RUB)

Referenz: C. L. Bentley et al.: Die lokale Ober­flächen­struktur und -zusammen­setzung bestimmt die Wasserstoff­evolution an Eisen-Nickelsulfiden, Angew. Chem. 2018, DOI: 10.1002/ange.201712679 / 10.1002/anie.201712679 (englisch­sprachige Version)

Link: AG Elektro­analytik und Sensorik (W. Schuhmann), Lehrstuhl für Analytische Chemie, Ruhr-Universität Bochum

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