08.03.2023 • MaterialwissenschaftenEnergie

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.

Abb.: LiFex-1Cox-Boro­phosphate könnten als preis­werte Anoden für die...
Abb.: LiFex-1Cox-Boro­phosphate könnten als preis­werte Anoden für die Er­zeu­gung von grünem Wasser­stoff ein­ge­setzt werden. Ein Forscher­team hat an BESSY II unter­sucht, was an den kata­lytisch aktiven Molekül­zentren passiert. (Bild: P. Menezes, HZB / TU Berlin)

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

 

 

ContentAd

Kleinste auf dem Markt erhältliche Hochleistungs-Turbopumpe

Kleinste auf dem Markt erhältliche Hochleistungs-Turbopumpe

Die HiPace 10 Neo ist ein effizienter, kompakter Allrounder für den Prüfalltag, der geräuscharm und besonders energieeffizient ist.

Sonderhefte

Physics' Best und Best of
Sonderausgaben

Physics' Best und Best of

Die Sonder­ausgaben präsentieren kompakt und übersichtlich neue Produkt­informationen und ihre Anwendungen und bieten für Nutzer wie Unternehmen ein zusätzliches Forum.

Meist gelesen

Photo
29.02.2024 • NachrichtForschung

Galaktische Welle

Radcliffe-Welle in der Milchstraße ist Indiz für geringe Menge an dunkler Materie in unserer galaktischen Nachbarschaft.

Themen