Struktur von Eisen- Kobalt-Oxyhydroxiden untersucht
Ergebnisse könnten zur Entwicklung hocheffizienter und kostengünstiger katalytisch aktiver Materialien beitragen.
Die Industrie ist auf Kohlenwasserstoffe und andere chemische Grundstoffe angewiesen, die bisher aus fossilen Ressourcen gewonnen werden. Solche Grundstoffe können im Prinzip mit Hilfe elektrokatalytisch aktiver Materialien und erneuerbar erzeugter Energie auch aus Wasser und Kohlendioxid hergestellt werden. Derzeit bestehen diese Katalysatormaterialien jedoch entweder aus teuren und seltenen Materialien oder sind nicht effizient genug.
Ein Team um Prashanth Menezes vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie hat jetzt Einblicke in die Struktur und die Chemie eines der aktivsten Katalysatoren für die anodische Sauerstoffentwicklungsreaktion gewonnen. Das ist eine Schlüsselreaktion bei der Wasserspaltung, die Elektronen für die Wasserstoffentwicklungsreaktion bereit stellt. Der Wasserstoff kann dann zum Beispiel zu Kohlenwasserstoffen weiter verarbeitet werden. Darüber hinaus spielt die Sauerstoffentwicklungsreaktion auch bei der direkten elektrokatalytischen Reduktion von Kohlendioxid zu Alkoholen oder Kohlenwasserstoffen eine zentrale Rolle.
Eine vielversprechende Klasse von Elektrokatalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion sind Kobalt-Eisen-Oxyhydroxide. Das Forschungsteam analysierte eine Reihe von helikalen LiFe1-xCox-Borophosphaten an BESSY II, die sich während der Sauerstoffentwicklungsreaktion zu aktiven Kobalt-Eisen-Oxyhydroxiden umstrukturieren. Mit verschiedenen in-situ-Spektroskopietechniken gelang es, die Oxidationsstufen der Element Eisen und Kobalt zu bestimmen.
Eisen spielt eine wichtige Rolle in Sauerstoffentwicklungsreaktions-Katalysatoren auf Kobalt-Basis. Der genaue Grund dafür ist jedoch umstritten. Die meisten Studien gehen davon aus, dass Eisen in niedrigeren Oxidationsstufen Teil der aktiven Struktur ist. „In unserem Fall konnten wir jedoch Eisen in Oxidationsstufen größer als 4 nachweisen, und außerdem zeigen, dass sich Bindungsabstände deutlich verkürzt haben. Damit können wir das katalytisch aktive Zentrum deutlich genauer verstehen", berichtet Menezes.
Elektrokatalysatoren ermöglichen den Ladungstransfer vom Substrat – hier Wasser – zu den Elektroden, was meist mit einer Änderung der Oxidationsstufen der Übergangsmetalle einhergeht. Diese Veränderungen des Oxidationszustands sind jedoch manchmal zu schnell, um erkannt zu werden. Dies macht es schwierig, das Funktionsprinzip des Katalysators zu verstehen, insbesondere wenn er zwei potenziell aktive Elemente wie Eisen und Kobalt enthält. „Wir hoffen, dass die detaillierte elektronische und strukturelle Beschreibung wesentlich zur Verbesserung von Sauerstoffentwicklungsreaktions-Katalysatoren beitragen kann", sagt Menezes.
HZB / RK
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung
L. Reith et al.: In Situ Detection of Iron in Oxidation States ≥ IV in Cobalt-Iron Oxyhydroxide Reconstructed during Oxygen Evolution Reaction, Adv, Energy Mat., online 2. Februar 2023; DOI: 10.1002/aenm.202203886 - CatLab – Catalysis Laboratory, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH
