Verständnis der Katalysatoraktivität für die Produktion von grünem Wasserstoff
Die Forschung bietet Potenzial zur Verbesserung von Energiewandlungstechnologien
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Forschende des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft haben neue Erkenntnisse über die Aktivität von Katalysatoren in der Sauerstoffentwicklungsreaktion gewonnen, einen Schlüsselprozess in der Wasserelektrolyse zur Wasserstoffproduktion. Ihre Studie, veröffentlicht in Nature Chemistry, untersucht, wie die Kinetik von Katalysatoren mit einem komplexen Zusammenspiel zwischen flüssigem Elektrolyten und chemischen Veränderungen auf der Katalysatoroberfläche zusammenhängt, was möglicherweise den Weg für effizientere Energiewandlungstechnologien ebnet.
© FHI
Einführung in die Katalysatoraktivität
Die Abteilung für Interface Science am Fritz-Haber-Institut hat bedeutende Fortschritte im Verständnis der Funktionsweise von Katalysatoren in wässrigen Umgebungen gemacht. Diese Forschung ist entscheidend für den Fortschritt von Technologien wie der Produktion von grünem Wasserstoff, die auf effiziente Katalysatoren angewiesen ist, um Wassermoleküle zu spalten.
Entdeckung eines Übergangspunkts
Die Studie, geleitet von Dr. Martinez-Hincapié und Dr. Öner innerhalb der Abteilung von Prof. Roldán Cuenya am FHI, nutzt temperaturabhängige Elektrochemie und Operando-Spektroskopie zur Untersuchung der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER). Diese Reaktion ist ein Engpass in der Wasserelektrolyse, bei der langsame OER-Kinetik die Wasserstoffproduktion behindern kann. Die Forscher entdeckten einen Übergangspunkt in der Kinetik, bei dem die potentialabhänginge Aktivität des Katalysators einen starken Wechsel vollzieht.
Die Rolle der Solvatation
Ein kritischer Befund der Studie ist die Rolle der Ionensolvatation — ein Prozess, bei dem Ionen ihre Solvatationshülle verlieren oder gewinnen. Dieser Schritt scheint sehr entscheidend für die intrinsische Aktivität des Katalysators zu sein. Dr. Öner erklärt: „Wir sollten die Katalysator-Elektrolyt-Grenzfläche als Ganzes betrachten, nicht als separate Phasen. Wir können die energetiscche Stabilisierung von Überschussladung auf der Feststoffseite nicht ohne die dielektrische Reaktion des Elektrolyten verstehen, und wir können die Ionensolvatation nicht verstehen, ohne zu beachten, was auf der Feststoffseite passiert. Für die Sauerstoffentwicklungsreaktion ist das besonders kritisch, da die feste Grenzfläche im Verlauf der Reaktion drastische strukturelle und chemische Veränderungen durchläuft. Es ist eine Grenzphase, die die beobachtete Aktivität hervorruft.“
Technische Einblicke
In technischeren Begriffen zeigt die Studie, dass die Kinetik des Katalysators durch ein komplexes Zusammenspiel zwischen chemischer und struktureller Anpassung der Oxidoberfläche und der Reaktion der Grenzflächenwassermoleküle bestimmt wird. Mit Hilfe von Operando-Röntgenspektroskopie beobachtete das Team strukturelle und chemische Anpassungen der Oxidkatalysatoren genau an einem wichtigen Übergangspotential in der Kinetik. Wichtig ist, dass dieses Übergangspotential unabhängig von der Katalysatorbeladung (der verwendeten Materialmenge) oder seiner Oberfläche ist. Dies zeigt, dass die Aktivität des Katalysators intrinsisch mit seiner Fähigkeit verbunden ist, Überschussladung aufzubauen, um mit solvatisierten Ionen aus dem flüssigen Elektrolyten zu interagieren.
Fazit und zukünftige Richtungen
Prof. Dr. Beatriz Roldán Cuenya hebt die Bedeutung der Kombination verschiedener Operando-Spektro-Mikroskopietechniken hervor, die Informationen über die Katalysatoroberfläche, das Lösungsmittel und die grundlegende Kinetik liefern. Dies ist notwendig, um tiefere Einblicke in das Verhalten des Katalysators zu gewinnen. Die Forschung verbessert nicht nur unser Verständnis der Katalysatoraktivität, sondern bietet auch Potenzial zur Verbesserung von Energiewandlungstechnologien. Das Team ist bestrebt, diese Erkenntnisse weiter zu erforschen, mit dem Potenzial, die Bereiche der Energie- und chemischen Umwandlungstechnologie erheblich zu beeinflussen.
Originalveröffentlichung
Ricardo Martínez-Hincapié, Janis Timoshenko, Timon Wagner, Eduardo Ortega, Jody Druce, Mariana C. O. Monteiro, Martina Rüscher, Joonbaek Jang, Elif Öykü Alagöz, Samuele Lasagna, Leon Jacobse, Arno Bergmann, Beatriz Roldan Cuenya, Sebastian Z. Oener; "Interfacial solvation pre-organizes the transition state of the oxygen evolution reaction"; Nature Chemistry, 2025-9-3
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