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Atomistische Untersuchungen verbessern Verständnis der Elektrokatalyse

Dr. Olga Kasian analysierte die Oberfläche von Iridiumoxiden mit der "scanning flow cell", einer Technik, die im Wesentlichen von Prof. Karl Mayrhofer während seines Auifenthalts am MPIE entwickelt wurde. Quelle: Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Neueste Ergebnisse in Nature Catalysis veröffentlicht

Eine Kooperation von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung (MPIE), des Helmholtz Instituts Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN), der Ruhr Universität Bochum sowie der FAU – darunter Professor Dr. Peter Felfer vom Lehrstuhl für Allgemeine Werkstoffeigenschaften (WW1) – hat mit Hilfe der Atomsondenmikroskopie neue Erkenntnisse im Bereich der Elektrokatalyse gewinnen können. Ihre Forschungsergebnisse wurden jetzt in der renommierten Fachzeitschrift Nature Catalysis veröffentlicht.

Elektrokatalyse ist ein aus der Industrie nicht wegzudenkender Prozess, um elektrische Energie direkt in chemische Energie umzuwandeln. Er ist von wachsender Bedeutung, da die Menge an elektrischer Energie, welche aus erneuerbaren Quellen erzeugt wird, nur bedingt den täglichen Verbrauchsschwankungen angepasst werden kann. Überschüssiger Strom kann somit z.B. zur Wasserstofferzeugung aus Wasser verwendet werden, einem speicherbaren Energieträger mit enormen Potential für die Zukunft. Um die notwendige elektrochemische Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff zu erleichtern, werden Elektrokatalysatoren verwendet. Je besser der Katalysator, desto effizienter und schneller ist der Prozess.

Eine Forschergruppe aus Wissenschaftlern vom Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE), dem Helmholtz Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN) sowie der FAU und der Ruhr Universität Bochum haben nun durch die Verwendung von atomar aufgelösten Mikroskopiemethoden herausgefunden, dass die Oberflächenlagen von Elektrokatalysatoren chemische Veränderungen aufweisen, die die Effizienz des Katalysators bestimmen. Die Forscher waren auf Basis dieses Wissens in der Lage, diese Oberflächenlagen gezielt zu beeinflussen, um die Wasserelektrolyse zu beschleunigen. Dies ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer nachhaltigen „Hydrogen Economy“. Die Ergebnisse wurden nun im Fachblatt Nature Catalysis veröffentlicht.

Um effizientere Elektrokatalysatoren für die Energieumwandlung zu entwickeln, ist ein tiefes Verständnis des Zusammenhangs zwischen Oberflächenzusammensetzung und elektrochemischen Verhalten in operando notwendig. Nach dem momentanen Stand der Wissenschaft ist die Sauerstoffevolutionsreaktion („oxygen evolution reaction“ OER) der bestimmende Schritt der Wasserelektrolyse. Dies ist zu einem großen Teil der Veränderung der Oberflächenzusammensetzung des Katalysators während dieser Reaktion geschuldet.

Electrokatalyse trifft auf Atomsondentomographie. Quelle: O. Kasian, T. Li, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

„Iridium ist bekannt als Elektrokatalysator mit hoher Aktivität und Langzeitstabilität. Durch die Verwendung von Photelektronenspektroskopie und einer elektrochemischen Durchflusszelle waren uns bereits Messungen zu elektronischen Eigenschaften, sowie Aktivität und Stabilität des sich bildenden Oberflächenoxids möglich“, so Dr. Olga Kasian, eine Alexander von Humboldt Stipendiatin am MPIE. Um dies im Licht der atomaren Struktur des Katalysators interpretieren zu können, kombinierte die Forschergruppe diese Ergebnisse mit Atomsondentomographie. Untersucht wurden die besonders interessanten frühen Stadien des Betriebs, in denen eine erhöhte Aktivität festgestellt wurde, sowie die späteren Stadien, in denen eine Verschlechterung des Umsatzes der OER beobachtet wird. Durch das nahezu atomare räumliche Auflösungsvermögen der Atomsonde konnten die dafür verantwortlichen Oberflächenstrukturen in 3D abgebildet werden, aufgelöst nach chemischen Elementen. Dr. Baptiste Gault, Gruppenleiter für Atomsondentomographie am MPIE erklärt: „Unsere Untersuchungen zeigen, dass diese nanoskaligen Oxide sich vermehrt an Kristalldefekten wie z.B. Korngrenzen bilden. Selbst nach längerer OER bleiben die involvierten Wassermoleküle und Hydroxylgruppen assoziiert mit diesen Oxid „Clustern“ an der Oberfläche. Dies konnte durch das Markieren mit Isotopen nachgewiesen werden. Die Veränderung dieser Oxidinseln ist dann am Ende verantwortlich für das Nachlassen der Aktivität.“

Das Team von Materialwissenschaftlern und Chemikern kommt daher zu dem Schluss, dass die Aktivität und Stabilität von Iridium während der OER stark von den nanoskaligen Änderungen der Oberflächenzusammensetzung abhängt. In der veröffentlichten Arbeit konnte auch gezeigt werden, wie die Kombination von elektrochemischen Messungen und Atomsondentomographie das Verständnis von Beziehungen zwischen Oberflächenstruktur, -zustand und -funktion in Elektrokatalyse verbessert werden kann. Dies ist eine Voraussetzung, um Wasserelektrolyse zu einer nachhaltigen Energiespeichertechnologie zu machen.

Veröffentlichung:

Li, O. Kasian, S. Cherevko, S. Zhang, S. Geiger, C. Scheu, P. Felfer, D. Raabe, B. Gault, K. J. J. Mayrhofer: Atomic-scale insights into surface species of electrocatalysts in three dimensions. DOI: 10.1038/s41929-018-0043-3

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