03.01.2024

Elektrokatalysatoren gezielt optimieren

Kristallfacettenabhängige Oberflächenumwandlung steuert die Aktivität der Sauerstoffentwicklungsreaktion.

Keine nachhaltige Energie ohne Elektrokatalysatoren: Geht es um die Herstellung von grünem Wasserstoff, braucht es Katalysatoren, die den Prozess der Wasserspaltung in Sauerstoff und Wasserstoff steuern. Doch unter angelegter Spannung verändert sich die Struktur des Katalysators, was auch die katalytische Aktivität entscheidend beeinflusst. Dieses Phänomen ist wenig erforscht und verstanden – bisher. Ein Forschungsteam unter der Leitung der Universitäten Duisburg-Essen und Twente hat jetzt die kristallfacettenabhängige Oberflächenumwandlung erforscht und herausgefunden, wie diese die Aktivität der Sauerstoffentwicklungsreaktion steuert.

Abb.: Schematische Seitenansicht der transformierten Schicht.
Abb.: Links ist eine schematische Seitenansicht der transformierten Schicht (hellgrau) auf dem LaNiO3 Perowskitfilm (grün) zu sehen – aufgewachsen auf einem Substrat (braun). Die rechte Seite zeigt die vergrößerte Seitenansicht der transformierten Oxyhydroxid- Schicht (mit Spindichte an den Ni-Plätzen) aus den DFT/quantenmechanischen Simulationen.
Quelle: UDE

Die Forscher untersuchten die komplementäre Halbreaktion, die parallel bei der Herstellung von grünem Wasserstoff abläuft – die Entstehung von Sauerstoff. Diese Teilreaktion ist komplexer und erfordert hocheffiziente, kostengünstige und umweltfreundliche Anodenmaterialien. Doch hierbei wandelt sich oft die Struktur der Katalysators. Das Team konnte nun erstmals nachweisen, dass diese Transformation auf die Orientierung der Oberfläche des Katalysators zurückzuführen ist und die Sauerstoffentwicklungsreaktion OER beeinflusst. Denn eine höhere OER-Aktivität bedeutet, dass der Katalysator effektiver Sauerstoff erzeugen kann, was wiederum die Effizienz und Nachhaltigkeit des Wasserstoffherstellungsprozesses verbessert.

Für ihre Studie verwendeten die Wissenschaftler Lanthan-Nickel-Oxid-Filme – ein kristallines Material der Klasse der Perowskite, das bei der Elektrokatalyse eingesetzt wird. Die Forscher stellten fest, dass sich während der Reaktion die obersten Schichten transformieren und unterschiedliche OER-Aktivität aufweisen. Dabei verbinden sich die oktaederförmigen Bausteine über die Kanten statt über die Ecken. Diese Oxyhydroxid-Struktur wurde mittels quantenmechanischer Simulationen auf verschiedenen Perowskit-Oberflächen modelliert. „Die Ergebnisse zeigen, dass für die Facette mit der höchsten Aktivität die transformierte Schicht viel besser auf den darunterliegenden Perowskit passt“, so Achim Füngerlings von der Uni Duisburg-Essen.

„Das beeinflusst wesentlich die elektronischen und magnetischen Eigenschaften und erklärt die bessere OER-Aktivität“, erklärt Rossitza Pentcheva von der Uni Duisburg-Essen. „Die enge Verzahnung von Experiment und Simulationen war entscheidend, um die zugrundeliegenden Mechanismen und Eigenschaften der Oberflächentransformation aufzuklären.“ Die Erkenntnisse aus der Studie sind wichtig für die gezielte Optimierung von Katalysatoren, indem künftig Nanopartikel mit einer bestimmten Oberflächenorientierung hergestellt werden.

UDE / RK


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