Eine Gruppe von Forschern hat bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung kostengünstiger Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) erzielt, einer kritischen Komponente in Technologien wie der Wasserspaltung und Metall-Luft-Batterien.
Durch die Einbindung von Chrom (Cr) in Übergangsmetallhydroxide konnten sie mithilfe einer Kombination aus Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Berechnungen und experimenteller Synthese eine verbesserte katalytische Aktivität nachweisen. Ihre Ergebnisse waren veröffentlicht im Journal ACS-Katalyse am 30. August 2024.
In den letzten Jahren hat sich die Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse als vielversprechende Lösung für die Speicherung intermittierender erneuerbarer Energie aus Quellen wie Wind und Sonne erwiesen. Die OER, eine wichtige Halbreaktion bei der Elektrolyse, wurde jedoch durch langsame Reaktionsraten behindert, sodass hochaktive und stabile Katalysatoren erforderlich sind, um die Effizienz zu verbessern.
„Die Chromdotierung spielt eine entscheidende Rolle bei der Beschleunigung des Phasenübergangs von Metallhydroxiden in die aktive Oxyhydroxidphase, was für die Steigerung der OER-Effizienz unerlässlich ist“, sagte Hao Li vom Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) der Universität Tohoku und Co-Autor des Papiers.
Li und seine Kollegen synthetisierten einen FeCoNiCr-Hydroxid-Katalysator mithilfe einer wässrigen Sol-Gel-Methode, die eine gleichmäßige Verteilung der vier Elemente gewährleistete. Der hergestellte Katalysator zeigte in alkalischen Medien ein niedriges Überspannungspotential von 224 mV, übertraf damit ähnliche Katalysatoren um 52 mV und blieb über 150 Stunden Dauereinsatz stabil.
Darüber hinaus lief eine mit dem FeCoNiCr-Katalysator bestückte Zn-Luft-Batterie 160 Stunden lang stabil und hielt einen niedrigen Entlade-/Ladespannungsunterschied von 0,70 V aufrecht. Theoretische Modelle bestätigten, dass die Cr-Dotierung die Adsorptionsenergien der OER-Zwischenprodukte an den aktiven Stellen optimierte und so die Effizienz der Reaktion deutlich steigerte.
„Unsere Berechnungen zeigen, dass die Cr-Dotierung die elektronische Umgebung um die aktiven Stellen herum fein abstimmt und so die Reaktion effizienter macht“, fügt Li hinzu. Die Bader-Ladungsanalyse zeigte außerdem, dass Nickel und Kobalt während des OER-Prozesses einen günstigen Oxidationszustand von +3 beibehielten, was für eine anhaltende katalytische Aktivität von Vorteil ist.
Mit Blick auf die Zukunft plant die Gruppe, ihre Forschung auszuweiten, indem sie weitere Elemente untersucht, die die Katalysatorleistung weiter optimieren könnten. „Diese Arbeit hat uns eine Methode geliefert, mit der wir Materialien schnell prüfen und bessere Katalysatoren entwickeln können“, sagte Di Zhang, ein speziell ernannter Assistenzprofessor am WPI-AIMR und Co-Autor des Papiers.
„Unser Ziel ist es, noch effizientere und langlebigere Katalysatoren zu entwickeln, die die Einführung sauberer Energietechnologien, insbesondere der Wasserstoffproduktion, beschleunigen können.“
Da die weltweite Nachfrage nach sauberen Energielösungen steigt, wird die Entwicklung kostengünstiger und effizienter Katalysatoren für die Weiterentwicklung erneuerbarer Energiesysteme von entscheidender Bedeutung sein.
Weitere Informationen:
Yong Wang et al, Chrom fördert die Phasenumwandlung zu aktivem Oxyhydroxid für eine effiziente Sauerstoffentwicklung, ACS-Katalyse (2024). DOI: 10.1021/acscatal.4c03974