18.10.2022 • Energie

Grüner Wasserstoff: Röntgenquellen treiben die Entwicklung von Elektrokatalysatoren voran

Röntgenabsorptions-Spektroskopie hilft bei der Bestimmung aktiver Zustände von katalytisch aktiven Materialien.

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.

Abb.: Manganoxide kommen in verschiedenen strukturellen Varianten... — Abb.: Manganoxide kommen in verschiedenen strukturellen Varianten vor. Das macht sie zu einer spannenden Materialklasse für Elektrokatalysatoren. (Bild: M. Risch, HZB)

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