Die Leistung von Katalysatoren vorhersagen

Auszeichnung für Elektrochemiker

15.03.2021 - Deutschland

Grüner Strom möglichst bald, bestenfalls aus allen Steckdosen: Elektrochemische Prozesse sind die Grundlage für eine nachhaltige Energieversorgung, brauchen aber neue, leistungsfähige Katalysatormaterialien. Theoretische Berechnungen helfen dabei, Sackgassen zu vermeiden und auf die vielversprechendsten Kandidaten zu setzen. Ein Chemiker der Universität Duisburg-Essen (UDE) hat diese Leistungsvorhersage entscheidend weiterentwickelt und wurde dafür nun ausgezeichnet. Seine Erkenntnisse veröffentlichte er im Fachmagazin Electrochimica Acta.

Wasser in Sauerstoff und den Energieträger Wasserstoff aufspalten, Letzteren wiederum in einer Brennstoffzelle nutzen – das sind nur zwei Beispiele für Prozesse, für die leistungsfähige Katalysatormaterialien essenziell sind. Dr. Kai S. Exner kann nun noch genauer vorhersagen, wie gut eine vielversprechend erscheinende Materialkombination hierfür wirklich ist. Danach können seine Kollegen vom Center for Nanointegration Duisburg-Essen (CENIDE) die mitunter aufwendige und teure Herstellung und erste experimentelle Tests beginnen.

Klassisch nutzen Theoretische Chemiker hierfür das „Sabatier-Prinzip“. Dieses betrachtet die Bindungsstärke der Zwischenprodukte, die bei der Reaktion entstehen. Das Zwischenprodukt, das am stärksten von einer mittleren Bindungsstärke abweicht, ist der limitierende Faktor, der bei der anschließenden Entwicklung im Labor besonders beachtet werden muss.

Erweiterung bedenkt alle Schritte und bezieht Spannung ein

Ursprünglich wurde dieses Prinzip für die Thermische Katalyse entwickelt. Daher lässt es außer Acht, dass die Reaktionsschritte in der Elektrokatalyse durch die angelegte Spannung gesteuert werden, die wiederum Einfluss auf die Bindungsstärke der Zwischenprodukte hat. Innerhalb seiner Forschung für den Sonderforschungsbereich 247 „Heterogene Oxidationskatalyse in der Flüssigphase“ konnte Exner das Sabatier-Prinzip nun so erweitern, dass es die angelegte Spannung mit einbezieht und zudem alle Reaktionsschritte statt nur eines einzelnen betrachtet.

„Die Theorie muss mit ihren Modellrechnungen immer möglichst dicht am Experiment bleiben“, erklärt Exner. „Meine Forschung verbessert diesen Zusammenhang wesentlich und ermöglicht bessere Vorhersagen, aber auch Aussagen dazu, wie man bereits bestehende Materialien optimieren kann.“

Für seine wegweisenden Publikationen zum Thema wurde Exner mit dem Joachim Walter Schultze-Preis der Arbeitsgemeinschaft Elektrochemischer Forschungsinstitutionen ausgezeichnet.

Originalveröffentlichung

K. S. Exner; „Why approximating electrocatalytic activity by a single free-energy change is insufficient“; Electrochim. Acta; 2021, 375, 137975.

K. S. Exner; „A Universal Descriptor for the Screening of Electrode Materials for Multiple-Electron Processes: Beyond the Thermodynamic Overpotential“; ACS Catal.; 2020, 10, 12607-12617.

https://www.chemie.de/news/1170237/die-leistung-von-katalysatoren-vorhersagen.html

Originalveröffentlichung

K. S. Exner; „Why approximating electrocatalytic activity by a single free-energy change is insufficient“; Electrochim. Acta; 2021, 375, 137975.

K. S. Exner; „A Universal Descriptor for the Screening of Electrode Materials for Multiple-Electron Processes: Beyond the Thermodynamic Overpotential“; ACS Catal.; 2020, 10, 12607-12617.

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