Wasserstoff kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung aus Wasser gewonnen werden; es entstehen Wasserstoff und Sauerstoff. Der limitierende Schritt bei dieser Reaktion ist die Sauerstoffproduktion, sodass Forschende auf der Suche nach den optimalen Katalysatoren dafür sind. Cobalt-Elektrokatalysatoren mit einer bestimmten geometrischen Struktur, der sogenannten Spinell-Struktur, sind normalerweise nicht sehr effizient und auch nicht langzeitstabil. Das ändert sich jedoch, wenn sie Mangan enthalten.
Was genau an der Oberfläche der Katalysatoren bei der Elektrolyse von Wasser passiert, hat das Forschungsteam mit verschiedenen Methoden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 247 „Heterogeneous Oxidation Catalysis in the Liquid Phase“ untersucht. „Der Zusammenschluss der Institute hat es uns ermöglicht, die Vorgänge an der Elektrodenoberfläche mit verschiedenen Methoden zu beobachten – und diese Kombination war der Schlüssel zum Erfolg“, sagt Prof. Dr. Tong Li, Leiterin der Atomic-Scale Characterisation an der Ruhr-Universität Bochum. Sie selbst ist Expertin für Atomsondentomografie, eine Methode, die hilft, die räumliche Verteilung von Materialien Atom für Atom sichtbar zu machen. Das Team kombinierte dieses Verfahren mit der Transmissionselektronen-Mikroskopie, einer besonderen Form von Röntgenabsorptions-Spektroskopie (x-ray fine structure absorption) und der Röntgenphotoelektronen-Spektroskopie.
Einsteigen und aussteigen: Wie ein Passagier im Bus
Die Gruppe zeigte, dass das Mangan sich während der Reaktion aus der Cobalt-Spinell-Oberfläche löst und dann wieder an diese anlagert. „Es ist wie ein Passagier im Bus, der immer wieder ein- und aussteigt“, veranschaulicht Li.
