Sehr bald müssen wir fossilfrei werden, nicht nur im Energiesektor, sondern auch in der Industrie. Kohlenwasserstoffe oder andere chemische Rohstoffe lassen sich prinzipiell aus erneuerbaren Energien und reichlich vorhandenen Molekülen wie Wasser und Kohlendioxid mit Hilfe elektrokatalytisch aktiver Materialien herstellen. Aber im Moment bestehen diese Katalysatormaterialien entweder aus teuren und seltenen Materialien oder sind nicht effizient.
Ein Team um Dr. Prashanth W. Menezes (HZB/TU-Berlin) hat nun Einblicke in die Chemie eines der aktivsten Katalysatoren für die anodische Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER), eine Schlüsselreaktion zur Bereitstellung von Elektronen, gewonnen die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) bei der Wasserspaltung. Der Wasserstoff kann dann zu weiteren chemischen Verbindungen, zB Kohlenwasserstoffen, verarbeitet werden. Auch bei der direkten elektrokatalytischen Kohlendioxidreduktion zu Alkoholen oder Kohlenwasserstoffen spielt die OER eine zentrale Rolle.
Eine vielversprechende Klasse von Elektrokatalysatoren für OER sind Kobalt-Eisen-Oxyhydroxide. Die Wissenschaftler analysierten an BESSY II eine Reihe von LiFe1-xCox-Borophosphaten mit verschiedenen Spektroskopietechniken, um die Oxidationsstufen des Elements Eisen (Fe) in verschiedenen Konfigurationen zu bestimmen.
Eisen: Höhere Oxidationsstufen und kürzere Bindungsabstände
„Fe spielt eine wichtige Rolle in Co-basierten OER-Katalysatoren. Der genaue Grund dafür ist jedoch noch umstritten. Die meisten Studien nehmen/messen Fe in niedrigeren Oxidationsstufen (+3) als Teil der aktiven Struktur. In unserem Fall , wir konnten jedoch Fe in Oxidationsstufen ≥ 4 und verkürzte Bindungsabstände zeigen, was uns ein besseres Verständnis der katalytisch aktiven Spezies ermöglicht“, betont Menezes.
Elektrokatalysatoren erleichtern den Ladungstransfer vom Substrat (hier Wasser) zu den Elektroden, was meist mit einer Änderung der Oxidationsstufen der Übergangsmetalle einhergeht. Diese Oxidationszustandsänderungen sind jedoch manchmal zu schnell, um erkannt zu werden, was es schwierig macht, das Arbeitsprinzip des Katalysators zu verstehen, insbesondere wenn er zwei potenziell aktive Elemente enthält.
Diese Arbeit betont die geometrische Struktur der aktiven Zentren und das Redoxverhalten der beiden beteiligten Elemente (im vorliegenden Fall Co und Fe). Ein solches Verständnis trägt dazu bei, eine designorientierte Entwicklung von Katalysatoren auf molekularer Ebene zu ermöglichen. „Wir hoffen, dass die detaillierte elektronische und strukturelle Beschreibung wesentlich zur Verbesserung von OER-Katalysatoren beitragen kann“, sagt Menezes.
Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Fortschrittliche Energiematerialien.
Mehr Informationen:
Lukas Reith et al, In‐situ‐Nachweis von Eisen in Oxidationsstufen ≥ IV in Cobalt‐Eisen‐Oxyhydroxid, rekonstruiert während der Sauerstoffentwicklungsreaktion, Fortschrittliche Energiematerialien (2023). DOI: 10.1002/aenm.202203886