16.03.2021 - Tokyo Institute of Technology

Entthronung von Elektrokatalysatoren für die Wasserstoffproduktion mit preiswertem Alternativmaterial

Bimetallische Elektrokatalysatoren auf Eisenbasis könnten der Schlüssel zur Wasserstoffsynthese sein

Heute können wir ohne jeden Zweifel sagen, dass eine Alternative zu fossilen Brennstoffen benötigt wird. Fossile Brennstoffe sind nicht nur nicht erneuerbare Energiequellen, sondern auch eine der Hauptursachen für die globale Erwärmung und Luftverschmutzung. Daher setzen viele Wissenschaftler weltweit ihre Hoffnungen auf das, was sie als den Kraftstoff der Zukunft ansehen: Wasserstoff (H2). Obwohl H2 ein sauberer Brennstoff mit unglaublich hoher Energiedichte ist, bleibt die effiziente Erzeugung großer Mengen davon eine schwierige technische Herausforderung.

Die Wasserspaltung - das Aufbrechen von Wassermolekülen - gehört zu den am meisten erforschten Methoden, um H2 zu erzeugen. Es gibt zwar viele Möglichkeiten, aber die am besten funktionierenden Wasserspaltungstechniken beinhalten Elektrokatalysatoren aus teuren Metallen wie Platin, Ruthenium und Iridium. Das Problem liegt darin, dass bekannte Elektrokatalysatoren aus reichlich vorhandenen Metallen bei der Sauerstoffentwicklungsreaktion (oxygen evolution reaction, OER), dem anspruchsvollsten Aspekt des Wasserspaltungsprozesses, eher ineffektiv sind.

In einer kürzlich in ACS Applied Energy Materials veröffentlichten Studie fand ein Team von Wissenschaftlern am Tokyo Institute of Technology, Japan, einen bemerkenswerten Elektrokatalysator-Kandidaten für die kostengünstige Wasserspaltung: Kalziumeisenoxid (CaFe2O4). Während Eisen(Fe)-Oxide bei der OER eher mittelmäßig sind, hatten frühere Studien festgestellt, dass die Kombination mit anderen Metallen ihre Leistung auf ein tatsächlich brauchbares Niveau steigern könnte. Wie Assistenzprofessor und Hauptautor Dr. Yuuki Sugawara anmerkt, hatte sich jedoch noch niemand auf CaFe2O4 als potenziellen OER-Elektrokatalysator konzentriert. "Wir wollten das Potenzial von CaFe2O4 aufdecken und durch Vergleiche mit anderen eisenbasierten bimetallischen Oxiden die entscheidenden Faktoren herausfinden, die seine OER-Aktivität fördern", erklärt er.

Zu diesem Zweck testete das Team sechs Arten von eisenbasierten Oxiden, einschließlich CaFe2O4. Sie fanden bald heraus, dass die OER-Leistung von CaFe2O4 weitaus höher war als die anderer bimetallischer Elektrokatalysatoren und sogar höher als die von Iridiumoxid, einem weithin akzeptierten Maßstab. Darüber hinaus testeten sie die Haltbarkeit dieses vielversprechenden Materials und stellten fest, dass es bemerkenswert stabil war; nach Messzyklen wurden keine signifikanten strukturellen oder kompositorischen Veränderungen festgestellt, und die Leistung der CaFe2O4-Elektrode in der elektrochemischen Zelle blieb hoch.

In dem Bestreben, den Grund für die außergewöhnlichen Fähigkeiten dieses unerforschten Elektrokatalysators zu verstehen, führten die Wissenschaftler Berechnungen mit der Dichtefunktionaltheorie durch und entdeckten einen unkonventionellen katalytischen Mechanismus. Es scheint, dass CaFe2O4 einen energetisch günstigen Weg für die Bildung von Sauerstoffbindungen bietet, was ein limitierender Schritt in der OER ist. Obwohl weitere theoretische Berechnungen und Experimente notwendig sind, um sicher zu sein, deuten die Ergebnisse darauf hin, dass der enge Abstand zwischen mehreren Eisenstellen eine Schlüsselrolle spielt.

Der neu entdeckte OER-Elektrokatalysator könnte sicherlich ein Game Changer sein, wie Dr. Sugawara bemerkt: "CaFe2O4 hat viele Vorteile, von seiner einfachen und kostengünstigen Synthese bis hin zu seiner Umweltfreundlichkeit. Wir erwarten, dass es ein vielversprechender OER-Elektrokatalysator für die Wasserspaltung sein wird und dass es einen neuen Weg für die Entwicklung von Energieumwandlungsgeräten eröffnen wird." Darüber hinaus könnte der neue, in CaFe2O4 gefundene Mechanismus zur Steigerung der OER zu der Entwicklung anderer nützlicher Katalysatoren führen. Hoffen wir, dass diese Erkenntnisse dazu beitragen, den Weg zur dringend benötigten Wasserstoffgesellschaft von morgen zu ebnen!

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