Robuste und günstige Katalysatoren für die Wasserstoffherstellung
Wie man die Materialien designt, damit sie effizient arbeiten
Die kleinsten Details der Wasserstoffproduktion am synthetischen Mineral Pentlandit konnten Wissenschaftlerteams der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und der Universität Warwick beobachten. Das erlaubt es, Strategien für das Design robuster und kostengünstiger Katalysatoren für die Wasserstoffherstellung zu entwickeln. Die Arbeitsgruppen von Prof. Wolfgang Schuhmann und Dr. Ulf-Peter Apfel von der RUB und das Team um Prof. Dr. Patrick R. Unwin von der Universität Warwick berichten im Journal Angewandte Chemie.
Das Bochumer Team mit Tsvetan Tarnev, Corina Andronescu und Mathias Smialkowski (von links) im Labor
© RUB, Marquard
Das Gas Wasserstoff gilt als möglicher zukünftiger Energieträger und lässt sich mit Platinkatalysatoren und Elektrizität aus Wasser herstellen. Alternative Katalysatoren aus billigeren und leichter verfügbaren Materialien mit genauso hoher Effizienz sind jedoch kaum bekannt.
Elektroden ohne Edelmetalle
Wie Platin gibt es eine Reihe von Materialien, die in der Lage sind, die Reaktion von Wasser zu Wasserstoff zu katalysieren. "Dazu zählen auch Metall-Chalkogenide wie das Mineral Pentlandit, das ähnlich effizient ist wie Platin und darüber hinaus deutlich stabiler gegenüber Katalysatorgiften wie Schwefel ist", erläutert Ulf-Peter Apfel. Pentlandit besteht aus Eisen, Nickel und Schwefel. Seine Struktur ähnelt der der katalytischen Zentren von wasserstoffproduzierenden Enzymen, die unter anderem in Grünalgen vorkommen.
Ein Tropfen von wenigen Hundert Nanometern Durchmesser
In der aktuellen Studie untersuchten die Forscher die Wasserstoffproduktionsraten an künstlich hergestellten kristallinen Oberflächen des Minerals Pentlandit in einem Flüssigkeitstropfen mit einem Durchmesser von wenigen Hundert Nanometern. Dazu nutzten sie die elektrochemische Rasterzellmikroskopie.
So konnten sie aufklären, wie die Struktur und Zusammensetzung des Materials die elektrokatalytischen Eigenschaften des Eisen-Nickelsulfids beeinflussen. Schon kleinste Änderungen des Verhältnisses zwischen Eisen und Nickel durch Variation der Synthesebedingungen oder die Alterung des Materials veränderten die Aktivität bei der elektrochemischen Wasserstoffbildung erheblich. "Mit diesen Erkenntnissen können wir jetzt weiterarbeiten und Strategien entwickeln, um viele weitere robuste und billige Katalysatoren zu verbessern", so Ulf-Peter Apfel.
Designprinzipien für Elektroden
Die Forscher zeigten außerdem, dass sich mit der elektrochemischen Rasterzellmikroskopie Informationen über Struktur, Zusammensetzung und elektrochemische Aktivität der Materialien ortsaufgelöst verknüpfen lassen. Die Methode macht es also möglich, Katalysatoren gezielt zu designen und so hochaktive Materialien herzustellen. "Diese Methode wird daher zukünftig eine wichtige Rolle bei der Suche nach elektrokatalytisch aktiven, heterogenen Katalysatoren spielen", sagt Wolfgang Schuhmann.
Originalveröffentlichung
Cameron L. Bentley, Corina Andronescu, Mathias Smialkowski, Minkyung Kang, Tsvetan Tarnev, Bernd Marler, Patrick R. Unwin, Ulf-Peter Apfel und Wolfgang Schuhmann; "Die lokale Oberflächenstruktur und -zusammensetzung bestimmt die Wasserstoffevolution an Eisen-Nickelsulfiden"; Angewandte Chemie; 2018
Cameron L. Bentley, Corina Andronescu, Mathias Smialkowski, Minkyung Kang, Tsvetan Tarnev, Bernd Marler, Patrick R. Unwin, Ulf-Peter Apfel und Wolfgang Schuhmann; "Local Surface Structure and Composition Control the Hydrogen Evolution Reaction on Iron Nickel Sulfides"; Angew. Chem. Int. Ed.; 2018
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