Atomare Einblicke in die Elektrokatalyse
© O. Kasian, T. Li, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH
Um effizientere Elektrokatalysatoren für die Energieumwandlung zu entwickeln, muss der Zusammenhang zwischen der Oberflächenbeschaffenheit der Elektrode und ihrem elektrochemischen Verhalten in operando verstanden werden. Der Flaschenhals der effizienten Wasserspaltung liegt bisher in der Sauerstoff-Entwicklungsreaktion (OER) - eine der beiden Reaktionen bei der Wasserspaltung. Derzeit führt der OER zu einer nachteiligen Veränderung der Oberflächenbeschaffenheit der Elektrode und beeinflusst damit die elektrokatalytischen Eigenschaften. "Iridium ist bekannt als effizienter Elektrokatalysator mit hoher Aktivität und Langzeitstabilität während der OER. Ich benutzte Photoelektronenspektroskopie und Scanning Flow Cell Techniken, um die Oberfläche von Iridiumoxiden zu analysieren. So erhielten wir Einblick in die elektronischen Eigenschaften der Oberflächenoxide und die elektrokatalytische Aktivität und Stabilität", erklärt Dr. Olga Kasian, Alexander von Humboldt-Stipendiatin am MPIE. In einem weiteren Schritt analysierten die Wissenschaftler mit Hilfe der Atomsonden-Tomographie die chemischen Spezies an der Oberfläche von Iridiumoxiden, um die beobachtete Aktivitätssteigerung in den ersten Phasen der OER und die nachfolgende Verschlechterung zu verstehen. Diese nahezu atomare 3D-Charakterisierung zeigte die Verteilung der einzelnen Spezies innerhalb der Oberflächenoxide. "Unsere Messungen zeigen, dass sich Oxidcluster hauptsächlich an bestimmten mikrostrukturellen Merkmalen, wie z.B. Korngrenzen, lokalisieren. Bei dauerhaftem OER konzentrieren sich die Wassermoleküle und Hydroxylgruppen, die wir nur durch Isotopenmarkierung sicher identifizieren konnten, innerhalb von Oxidinseln und verbleiben nur an der Oberfläche des elektrochemischen Oxids. Die Entwicklung dieser Oxidinseln führt zu einer Verschlechterung der Aktivität", erklärt Dr. Baptiste Gault, Leiter der Gruppe Atom Probe Tomography am MPIE.
Das Team von Materialwissenschaftlern und Chemikern kommt zu dem Schluss, dass die Aktivität und Stabilität von Iridium während der OER durch Veränderungen der Zusammensetzung von Oberflächenarten beeinflusst wird. Sie zeigten, wie die Kopplung von elektrochemischen Techniken und atomarer Tomographie das Verständnis komplexer Zusammenhänge zwischen Oberflächenstruktur, -zustand und -funktion in der Elektrokatalyse verbessert, durch die die Wasserspaltung und damit die nachhaltige Energiespeicherung in Zukunft effizienter gestaltet werden kann.
Originalveröffentlichung
T. 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"; Nature Catalysis; 2018
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