Elektrokatalysatoren sind Substanzen, die chemische Reaktionen in elektrochemischen Zellen beschleunigen. Sie sind entscheidende Komponenten in vielen Energieumwandlungs- und Speichertechnologien wie Brennstoffzellen, Batterien und Elektrolyseuren, da sie die Effizienz und Stabilität dieser Systeme verbessern.
Elektrolyse wettbewerbsfähig machen.
Im Kampf gegen den Klimawandel ist die Reduzierung der CO2-Emissionen entscheidend. Derzeit ist grauer Wasserstoff, der aus Öl und Erdgas hergestellt wird, weit verbreitet, aber es werden Anstrengungen unternommen, ihn durch grünen Wasserstoff zu ersetzen, der aus erneuerbaren Quellen erzeugt wird. Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse hergestellt, ein Prozess, bei dem Strom Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Trotz ihres Potenzials müssen mehrere Herausforderungen überwunden werden, um die Elektrolyse zu einer praktikablen Option zu machen.
Derzeit ist die Wasserspaltung nur bedingt effizient, und es gibt nicht genügend leistungsfähige, langlebige und kostengünstige Katalysatoren dafür.
„Die derzeit aktivsten Elektrokatalysatoren basieren auf den seltenen und teuren Edelmetallen Iridium, Ruthenium und Platin“, zählt Kristina Tschulik auf. „Unsere Aufgabe als Forscher ist es daher, neue, hochaktive und edelmetallfreie Elektrokatalysatoren zu entwickeln.“
Ihre Forschungsgruppe untersucht Katalysatoren in Form von Nanopartikeln aus unedlen Metalloxiden, die millionenfach kleiner sind als ein menschliches Haar. Sie werden im industriellen Maßstab hergestellt und unterscheiden sich in Form, Größe und chemischer Zusammensetzung.
Kristina Tschulik (links) und Hatem Amin erforschen Nanopartikel als Katalysatoren für grünen Wasserstoff. Bildnachweis: © RUB, Marquard
„Durch Messungen untersuchen wir sogenannte Katalysatortinten, in denen Milliarden von Partikeln mit Binde- und Zusatzstoffen vermischt sind“, skizziert Kristina Tschulik. Mit dieser Methode lässt sich nur eine durchschnittliche Leistung messen, nicht aber die Aktivität einzelner Partikel – darauf kommt es an.
„Wenn wir wüssten, welche Partikelform oder Kristallfacette – also die nach außen zeigenden Oberflächen – am aktivsten ist, könnten wir gezielt Partikel mit genau dieser Form herstellen“, sagt Dr. Hatem Amin, Postdoktorand in Analytischer Chemie am Ruhr-Universität Bochum.
Gewinner des Nanopartikel-Rennens
Die Forschungsgruppe hat eine Methode entwickelt, um einzelne Partikel direkt in Lösung zu analysieren. Dadurch können sie die Aktivität verschiedener Nanomaterialien miteinander vergleichen, um den Einfluss von Partikeleigenschaften wie Form und Zusammensetzung auf die Wasserspaltung zu verstehen. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Kobaltoxid-Partikel in Form einzelner Würfel aktiver sind als Kugeln, da letztere immer mehrere andere, weniger aktive Facetten haben.“
Theorie bestätigt Experiment
Die experimentellen Erkenntnisse der Bochumer Gruppe wurden von ihren Kooperationspartnern um Professorin Rossitza Pentcheva von der Universität Duisburg-Essen im Rahmen des Sonderforschungsbereichs/Transregio 247 bestätigt. Deren theoretische Analysen weisen auf eine Veränderung der aktiven Katalysatorregionen hin, nämlich von Kobalt Atome, die von Sauerstoffatomen umgeben sind, die ein Oktaeder bilden, bis hin zu Kobaltatomen, die von einem Tetraeder umgeben sind.
„Unsere Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen Partikelform und Aktivität bilden die Grundlage für das wissensbasierte Design brauchbarer Katalysatormaterialien und damit für die Transformation unserer fossilen Energie- und Chemieindustrie hin zu einem Kreislauf Wirtschaft basierend auf erneuerbaren Energiequellen und hochaktiven, langlebigen Katalysatoren“, schließt Kristina Tschulik.
Referenz: „Facet-Dependent Intrinsic Activity of Single Co3O4 Nanoparticles for Oxygen Evolution Reaction (Adv. Funct. Mater. 1/2023)“ von Zhibin Liu, Hatem MA Amin, Yuman Peng, Manuel Corva, Rossitza Pentcheva und Kristina Tschulik, 3. Januar 2023, Fortgeschrittene Funktionsmaterialien.
DOI: 10.1002/adfm.202370006
