14. Oktober 2022 | Mittels Elektrokatalyse von Wasser lässt sich Strom aus erneuerbaren Quellen zur Erzeugung von grünem Wasserstoff nutzen und gleichzeitig speichern. Ein Beitrag der Fachzeitschrift Angewandte Chemie demonstriert, wie moderne Röntgenquellen die Entwicklung günstiger und effizienter Elektrokatalysatoren vorantreiben können.
Insbesondere kann die Röntgenabsorptionsspektroskopie die aktiven Zustände von Materialien für die Sauerstoffentwicklungsreaktion bestimmen. Dies ist ein wichtiger Beitrag, um effiziente Katalysatoren aus günstigen und weit verbreiteten Elementen zu entwickeln.
Damit die Aufspaltung von Wassermolekülen leichter und energieeffizienter gelingt, sind die Elektroden mit katalytisch aktiven Materialien beschichtet. Dr. Marcel Risch untersucht mit seinem Team in der Nachwuchsgruppe “Gestaltung des Sauerstoffentwicklungsmechanismus” die Sauerstoffentwicklung bei der Elektrokatalyse von Wasser. Gerade die müsse für eine wirtschaftliche Wasserstoffproduktion noch effizienter ablaufen.
Multitalent Manganoxid
Eine interessante Materialklasse für Elektrokatalysatoren sind Manganoxide, die in zahlreichen strukturellen Varianten vorkommen.
„Ein entscheidendes Kriterium für die Eignung als Elektrokatalysator ist die Oxidationszahl des Materials und wie sie sich im Lauf der Reaktion verändert“, erläutert Risch.
Bei den Manganoxiden gibt es auch hierbei eine große Vielfalt.
Röntgenquanten zur Anregung von Elektronen
Informationen über die Oxidationszustände bringt die Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS): Röntgenquanten mit passender Energie regen Elektronen auf den innersten Schalen an, die diese Quanten absorbieren. Je nach Oxidationszahl kann man diese Absorption bei unterschiedlichen Anregungsenergien beobachten.
Das Team um Risch hat eine Elektrolyse-Zelle konstruiert, die XAS-Messungen während der Elektrolyse ermöglicht.
„Mit der Röntgenabsorptionsspektroskopie können wir nicht nur die Oxdationszahlen ermitteln, sondern auch Korrosionsprozesse oder Phasenveränderungen im Material beobachten“, sagt Risch.
Kombiniert mit elektrochemischen Messungen ergibt sich aus den Messdaten damit ein deutlich besseres Verständnis des Materials während der Elektrokatalyse. Die benötigte hohe Intensität der Röntgenstrahlung steht allerdings nur an modernen Synchrotronlichtquellen zur Verfügung. In Berlin betreibt das HZB dafür BESSY II. Weltweit gibt es etwa 50 solcher Lichtquellen für die Forschung.
Erweiterung der Zeitskalen
Risch sieht großes Potenzial für die Anwendung von Röntgenabsorptionsspektroskopie, insbesondere bei der Zeitskalen der Beobachtung. Typische Messzeiten betragen einige Minuten pro Messung. Elektrokatalytische Reaktionen finden jedoch auf kürzeren Zeitskalen statt.
„Wenn wir bei der Elektrokatalyse zuschauen könnten während sie passiert, könnten wir wichtige Details besser verstehen “ , erklärt Risch.
Mit diesem Wissen würden sich preiswerte und umweltfreundliche Katalysatoren rascher entwickeln lassen. Andererseits finden viele „Alterungsprozesse“ binnen Wochen oder Monaten statt.
„Wir könnten zum Beispiel in regelmäßigen Abständen die gleiche Probe immer wieder untersuchen, um diese Prozesse zu verstehen“, überlegt Dr. Risch.
Damit ließen sich zusätzlich noch langlebigere Elektrokatalysatoren entwickeln.
Zur Originalveröffentlichung in der Zeitschrift “Angewandte Chemie” gelangen Sie hier.
(Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH/2022)
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