Herkömmliche Katalysatoren zur Wasserstofferzeugung mittels Wasserelektrolyse enthalten meist Edelmetalle und sind teuer. Allerdings wurden auch günstigere Alternativen entwickelt, beispielsweise Kobalt-Mangan-Katalysatoren. Sie weisen eine hohe Aktivität auf und sind über einen langen Zeitraum stabil.
Ausschlaggebend für diese Eigenschaften ist ihr Mangangehalt. Warum Mangan diese wesentliche Rolle spielt, war lange Zeit unbekannt, doch der Mechanismus wurde nun von Forschern der deutschen Institutionen Ruhr-Universität Bochum, der Max-Planck-Institute für Nachhaltige Materialien und für Chemische Energiekonversion, des Forschungszentrums Jülich und der Universität Duisburg entdeckt -Essen.
Sie veröffentlicht ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Fortschrittliche Energiematerialien am 7. Oktober 2024.
Die Kombination verschiedener Methoden war der Schlüssel zum Erfolg
Durch Anlegen einer elektrischen Spannung kann Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden. Der limitierende Schritt dieser Reaktion ist die Sauerstoffentwicklung. Daher suchen Forscher nach den optimalen Katalysatoren für diesen Reaktionsschritt.
Kobalt-Elektrokatalysatoren mit einer bestimmten geometrischen Struktur, der sogenannten Spinellstruktur, sind normalerweise ineffizient und nicht langfristig stabil. Dies ändert sich jedoch, wenn sie mit Mangan dotiert werden.
Was genau auf der Oberfläche der Katalysatoren bei der Elektrolyse von Wasser passiert, untersuchte das Forschungsteam mit verschiedenen Methoden. Sie arbeiteten im Sonderforschungsbereich 247 „Heterogene Oxidationskatalyse in der Flüssigphase“ zusammen.
„Durch den Zusammenschluss mehrerer Institute konnten wir die Vorgänge an der Elektrodenoberfläche mit unterschiedlichen Methoden beobachten – und diese Kombination war der Schlüssel zum Erfolg“, sagt Professor Tong Li, Leiter der Atomic-Scale Characterization an der Ruhr-Universität Bochum.
Sie ist Expertin für Atomsondentomographie, einer Methode, die dabei hilft, die räumliche Verteilung von Materialien Atom für Atom sichtbar zu machen. Das Team kombinierte diese Methode mit Transmissionselektronenmikroskopie, Röntgenfeinstrukturabsorption und Röntgenphotoemissionsspektroskopie.
Die Gruppe zeigte, dass sich das Mangan während der Reaktion von der Kobaltspinelloberfläche löst und sich dann wieder darauf ablagert. „Es ist wie ein Passagier in einem Bus, der ständig ein- und aussteigt“, sagt Tong Li.
Weitere Informationen:
Biao He et al., Auswirkungen der dynamischen Oberflächentransformation auf die Aktivität und Stabilität gemischter kubischer Co-Mn-Spinelloxide in der Sauerstoffentwicklungsreaktion in alkalischen Medien, Fortschrittliche Energiematerialien (2024). DOI: 10.1002/aenm.202403096