Selbstoptimierende Katalysatoren für die Wasserspaltung zur grünen Wasserstoffproduktion

Wasserstoff ist eine viel diskutierte Option auf dem Weg zur CO₂-neutralen Energieerzeugung. Elektrizität aus erneuerbaren Quellen – vor allem Wind- und Sonnenenergie – wird in Elektrolyseuren genutzt, um Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und speicherbaren Wasserstoff zu zerlegen. Um diese Reaktion in Gang zu bringen, sind Katalysatoren unerlässlich. Bislang wurden Edelmetalloxide wie Rutheniumdioxid und Iridiumdioxid verwendet, die jedoch knapp und kostenintensiv sind und sich in saurem und alkalischem Milieu leicht zersetzen.

Dr. Dandan Gao, Nachwuchsgruppenleiterin und Walter Benjamin-Stipendiatin der DFG an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), und ihr Team haben daher einen alternativen Katalysator entwickelt: Mit Kobalt und Wolfram besteht er aus leicht zugänglichen, kostengünstigen Materialien. "Das Einzigartige ist: Während herkömmliche Katalysatoren ihre Leistung beibehalten – oder sogar etwas davon verlieren, weil sie nicht stabil genug sind –, steigert unser Katalysator seine Leistung mit der Zeit", erklärt Gao. "Nach der Optimierung ist die Aktivität sogar höher als bei herkömmlichen Katalysatoren." Die Ergebnisse wurden kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht.

Gründe für die Selbstoptimierung

Doch was ist der Grund für diese außergewöhnliche Selbstoptimierung? Um diese Frage zu beantworten, haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowohl experimentelle als auch theoretische Untersuchungen durchgeführt. Sie haben unter anderem herausgefunden, dass sich die chemische Natur des katalysierenden Kobalt-Wolfram-Oxids durch die Wasserspaltung verändert: Während Kobalt zunächst vor allem als Co²⁺ vorlag, wandelte es sich zunehmend in Co³⁺ um und auch bei Wolfram verschob sich das Verhältnis von W⁵⁺ zu W⁶⁺. "Bei der Spaltung von Wasserstoff laufen zwei Reaktionen ab: die Wasserstoffreaktion und die Sauerstoffreaktion. Die Sauerstoffreaktion ist der Engpass für die Gesamtreaktion, weshalb wir motiviert sind, einen fortschrittlichen Katalysator dafür zu entwickeln", so Gao.

Während die Sauerstoffreaktion zunächst von der aktiven Wolframstelle angetrieben wird, verlagert sich diese mit der Zeit auf die aktive Kobaltstelle – die aktive Oberfläche des Katalysators vergrößert sich durch die Wasserspaltung ebenfalls. Auch bei der Hydrophilie der Oberfläche sind Veränderungen zu beobachten: Sie wird wasserliebender, was natürlich für die elektrochemische Wasserspaltung äußerst hilfreich ist. "Insgesamt können wir deutlich reduzierte Überspannungen und erhöhte Stromdichten feststellen, begleitet von einer erheblichen Steigerung der Reaktionskinetik der Sauerstoffentwicklung", fasst Gao zusammen. Gute Nachrichten für die Wasserstoffproduktion der Zukunft.

Förderung im Walter Benjamin-Programm der DFG

Dandan Gao wird seit Juni 2023 durch das Walter Benjamin-Programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert: Dieses ermöglicht es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern in der Qualifizierungsphase nach der Promotion, ein eigenes Forschungsprojekt an einem Ort ihrer Wahl selbstständig durchzuführen. Die aufnehmende Forschungseinrichtung, in diesem Fall die Johannes Gutenberg-Universität Mainz, unterstützt das Projekt.

Die jetzt veröffentlichte Forschungsarbeit wurde außerdem von der Carl-Zeiss-Stiftung, der Alexander von Humboldt-Stiftung und dem JGU-Profilbereich SusInnoScience – Sustainable Chemistry as the Key to Innovation in Resource-efficient Science in the Anthropocene unterstützt.

 

Weiterführende Links:

• https://www.juggle.uni-mainz.de/dr-dandan-gao/ – Junior-Gruppenleiterin Dr. Dandan Gao an der JGU
• https://www.dgaolab.net/ – Arbeitsgruppe von Dr. Dandan Gao
• https://www.chemie.uni-mainz.de – Department Chemie der JGU
• https://susinnoscience.uni-mainz.de/ – JGU-Profilbereich SusInnoScience – Sustainable Chemistry as the Key to Innovation in Resource-efficient Science in the Anthropocene
• https://halocycles.uni-mainz.de/ – Forschungsprojekt Halocycles der JGU und der TU Kaiserslautern

---

---