Grüner Wasserstoff: Röntgenquellen treiben die Entwicklung von Elektrokatalysatoren voran

Mit der Elektrokatalyse von Wasser lässt sich elektrische Energie aus Sonne oder Wind zur Erzeugung von grünem Wasserstoff nutzen und so speichern. Moderne Röntgen­quellen wie BESSY II können dabei die Entwicklung von passenden Elektro­kataly­satoren voran­treiben. Insbesondere lassen sich mit Hilfe von Röntgen­absorptions-Spektroskopie die aktiven Zustände von katalytisch aktiven Materialien für die Sauerstoff­entwick­lungs­reaktion bestimmen. Das ist ein wichtiger Beitrag, um effiziente Katalysatoren aus günstigen und weit verbreiteten Elementen zu entwickeln.

Damit die Aufspaltung von Wasser­molekülen leichter und mit weniger Energie­einsatz gelingt, sind die Elektroden mit katalytisch aktiven Materialien beschichtet. Marcel Risch untersucht mit seinem Team am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie die Sauerstoff­entwicklung bei der Elektro­katalyse von Wasser. Denn vor allem die Sauerstoff­entwicklung muss für eine wirt­schaft­liche Wasserstoff­produktion noch effizienter ablaufen.

Eine spannende Materialklasse für Elektro­kataly­satoren sind Manganoxide, die in vielen verschiedenen 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.

Informationen über die Oxidations­zustände bringt die Röntgen­absorptions-Spektroskopie, kurz XAS: Röntgen­quanten mit passender Energie regen dabei 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 Röntgen­absorptions-Spektroskopie können wir nicht nur die Oxidations­zahlen 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 Synchrotron-Lichtquellen zur Verfügung. In Berlin betreibt das HZB dafür BESSY II. Weltweit gibt es etwa fünfzig solcher Lichtquellen für die Forschung.

Risch sieht noch großes Potenzial für die Anwendung von Röntgen­absorptions-Spektroskopie, insbesondere was die Zeitskalen der Beobachtung betrifft. Denn 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 “, so 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“, sagt Risch. Damit ließen sich zusätzlich noch lang­lebigere Elektro­­kataly­­satoren entwickeln.

HZB / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Risch et al.: What X-ray absorption spectroscopy can tell us about the active state of earth-abundant electrocatalysts for the oxygen evolution reaction, Angew. Ch., online 21. September 2022; DOI: 10.1002/ange.202211949
• Gestaltung des Sauerstoffentwicklungsmechanismus (M. Risch), Abt. Chemische Energie, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH