Wie Elektrolyse funktioniert
Atomare Untersuchungen verbessern Verständnis des Umwandlungsprozesses.
Elektrokatalyse ist ein aus der Industrie nicht wegzudenkender Prozess, bei dem elektrische Energie direkt in chemische Energie umgewandelt wird. Das wird zunehmend wichtig, da die Menge an elektrischer Energie, die aus erneuerbaren Quellen erzeugt wird, nur bedingt den täglichen Verbrauchsschwankungen angepasst werden kann. Eine Möglichkeit überschüssigen Strom für eine spätere Verwendung zu speichern, ist, ihn zur Wasserstofferzeugung zu verwenden. Wasserstoff ist ein speicherbarer Energieträger mit enormem Potenzial für die Zukunft. Wasserstoff entsteht durch die elektrochemische Trennung von Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff. Um diese Trennung zu beschleunigen, werden Elektrokatalysatoren verwendet. Je besser der Katalysator, desto effizienter und schneller ist die Wasserelektrolyse.
Abb.: Elektrokatalyse trifft auf Atomsondentomographie. (Bild: O. Kasian, T. Li, MPIE)
Eine Gruppe aus Wissenschaftlern vom MPI für Eisenforschung, dem Helmholtz-
Um effizientere Elektrokatalysatoren für die Energieumwandlung zu entwickeln, ist ein tiefes Verständnis des Zusammenhangs zwischen Oberflächenzusammensetzung und elektrochemischen Verhalten in operando notwendig. Nach momentanem Stand der Wissenschaft ist die Sauerstoffevolutionsreaktion der bestimmende Schritt der Wasserelektrolyse. Das ist zu einem großen Teil der Veränderung der Oberflächenzusammensetzung des Katalysators während dieser Reaktion geschuldet.
„Das Element Iridium ist als Elektrokatalysator mit hoher Aktivität und Langzeitstabilität bekannt. Durch die Verwendung von Photoelektronenspektroskopie und einer elektrochemischen Durchflusszelle haben wir bereits Messungen zu elektronischen Eigenschaften, sowie Aktivität und Stabilität des sich bildenden Oberflächenoxids durchgeführt.“, sagt Olga Kasian vom MPIE. Mithilfe einer Atomsonde untersuchten die Wissenschaftler die Katalysatoren. Betrachtet wurden die besonders interessanten frühen Stadien des Betriebs, in denen eine erhöhte Aktivität festgestellt wurde, sowie die späteren Stadien, in denen eine Abnahme des Wasserstoffgehalts während der Elektrolyse beobachtet wird.
Durch das räumliche Auflösungsvermögen der Atomsonde konnten die dafür verantwortlichen Oberflächenstrukturen dreidimensional abgebildet werden, aufgelöst nach chemischen Elementen. Baptiste Gault vom MPIE erklärt: „Unsere Untersuchungen zeigen, dass Oxidcluster sich vermehrt an bestimmten Mikrostrukturen, wie zum Beispiel an Korngrenzen, bilden. Nach längerer Wasserelektrolyse konzentrieren sich die Wassermoleküle und Hydroxylgruppen in Oxidclustern und bleiben an der Oberfläche. Das haben wir durch Markieren mit Isotopen nachgewiesen. Genau diese Oxidcluster sind dafür verantwortlich, dass die Effizienz der Katalysatoren im Laufe der Elektrolyse sinkt.“
Das Team kommt daher zu dem Schluss, dass die Aktiität und Stabilität von Iridium während der Sauerstoffevolutionsreaktion stark von den nanoskaligen Änderungen der Oberflächenzusammensetzung abhängt. „Dieser innovative Ansatz stellt eine bedeutende Grundlage für die Entwicklung von Materialsystemen und elektrochemischen Reaktoren für die Energieumwandlung und speicherung dar“, sagt Karl Mayrhofer vom Helmholtz-
MPIE / RK
