Wasserstoff ist eine viel diskutierte Option auf dem Weg zu einer CO2-neutralen Energieerzeugung. Strom aus erneuerbaren Energiequellen – vor allem Wind- und Sonnenenergie – wird in Elektrolyseuren genutzt, um Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und speicherbaren Wasserstoff zu zerlegen. Um diese Reaktion in Gang zu setzen, werden Katalysatoren benötigt. Bisher werden Edelmetalloxide wie Rutheniumdioxid und Iridiumdioxid verwendet, die jedoch knapp und teuer sind und sich in saurem und alkalischem Milieu leicht zersetzen. Für dieses Problem haben Forschende eine mögliche Lösung gefunden.
Dr. Dandan Gao, Nachwuchsgruppenleiterin und DFG-Walter-Benjamin-Stipendiatin an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), und ihr Team haben deshalb einen alternativen Katalysator entwickelt: Dieser besteht aus den leicht zugänglichen und kostengünstigen Materialien Kobalt und Wolfram. „Das Einzigartige ist: Während herkömmliche Katalysatoren ihre Leistung beibehalten – oder sogar etwas davon verlieren, weil sie nicht stabil genug sind –, steigert unser Katalysator seine Leistung mit der Zeit“, erklärt Dandan Gao. „Nach der Optimierung ist die Aktivität sogar höher als bei herkömmlichen Katalysatoren.“ Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht.
Gründe für die Selbstoptimierung
Doch was ist der Grund für diese Selbstoptimierung? Um diese Frage zu beantworten, führten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowohl experimentelle als auch theoretische Untersuchungen durch. Sie fanden unter anderem heraus, dass sich die chemische Natur des katalysierenden Kobalt-Wolfram-Oxids durch die Wasserspaltung verändert: Während Kobalt zunächst vor allem als Co2+ vorlag, wandelte es sich zunehmend in Co3+ um, und auch bei Wolfram verschob sich das Verhältnis von W5+ zu W6+. „Bei der Spaltung von Wasserstoff laufen zwei Reaktionen ab: Die Wasserstoffreaktion und die Sauerstoffreaktion. Die Sauerstoffreaktion ist der Engpass für die Gesamtreaktion, weshalb wir motiviert sind, einen fortschrittlichen Katalysator dafür zu entwickeln“, sagt Gao.
Während die Sauerstoffreaktion zunächst von der aktiven Wolframstelle angetrieben wird, verlagert sich diese mit der Zeit auf die aktive Kobaltstelle – die aktive Oberfläche des Katalysators vergrößert sich durch die Wasserspaltung ebenfalls. Auch bei der Hydrophilie der Oberfläche sind Veränderungen zu beobachten: Sie wird wasserliebender, was natürlich für die elektrochemische Wasserspaltung äußerst hilfreich ist. „Insgesamt können wir deutlich reduzierte Überspannungen und erhöhte Stromdichten feststellen, begleitet von einer erheblichen Steigerung der Reaktionskinetik der Sauerstoffentwicklung“, fasst Gao zusammen. Gute Nachrichten für die Wasserstoffproduktion der Zukunft.
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Dandan Gao wird seit Juni 2023 durch das Walter Benjamin-Programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Das Programm ermöglicht Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern in der Qualifizierungsphase nach der Promotion, ein eigenes Forschungsprojekt an einem Ort ihrer Wahl selbstständig durchzuführen. Die aufnehmende Forschungseinrichtung, in diesem Fall die Universität Mainz, unterstützt das Projekt. Die jetzt veröffentlichte Forschungsarbeit wurde zudem von der Carl-Zeiss-Stiftung, der Alexander von Humboldt-Stiftung und dem JGU-Profilbereich SusInnoScience, kurz für „Sustainable chemistry as the key to innovation in resource-efficient science in the Anthropocene”, unterstützt.
