Chamäleon-Prinzip als Schlüssel für die effektive elektrochemische Erzeugung von Wasserstoff
Die physiologische Anpassungsfähigkeit von Lebewesen an wechselnde Umweltbedingungen ist eine fundamentale Eigenschaft, um den Fortbestand ihrer Art zu sichern. Forschern aus dem TU-Fachgebiet „Elektrochemische Katalyse und Materialien“ um Arno Bergmann und Prof. Dr. Peter Strasser ist es gelungen, die strukturelle Anpassungsfähigkeit eines anorganischen Katalysators für die Wasserstoffgewinnung aus Wasser nachzuweisen. In Zusammenarbeit mit Kollegen des Fritz-Haber-Instituts und der FU Berlin untersuchten die Forscher die Eigenschaften eines nanokristallinen Kobaltoxid-Katalysators während der Wasserelektrolyse. Dabei entdeckten sie das Prinzip einer reversiblen strukturellen Änderung in äußeren atomaren Schichten, das eine effiziente Umwandlung von elektrischer in chemische Energie mit hoher Lebensdauer ermöglicht.
Die Wasserelektrolyse ist ein wichtiger Baustein für die Erzeugung von molekularem Wasserstoff, der als Energiespeicher für Elektrizität aus erneuerbaren Energiequellen genutzt werden kann. In der Wasserelektrolyse wird ein Wassermolekül mit Hilfe von elektrischer Energie in Sauerstoff und Wasserstoff umgewandelt. Doch der Wirkungsgrad der Umwandlung wird durch die langsame Bildung der Sauerstoffmoleküle begrenzt. Daher ist die Entwicklung von effizienten und stabilen Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklung von essentieller Bedeutung. Doch die atomaren Details, wie die Wasserelektrolyse an Katalysatoren abläuft und wie sich deren Struktur während der Reaktion verändert, sind noch kaum bekannt.
Die neuen Ergebnisse des interdisziplinären Forscherteams zeigen nun, dass die strukturelle Anpassung der oberflächennahen Schichten an die Reaktionsbedingungen der Schlüssel für die effektive Bildung von Sauerstoff ist. Im Ruhezustand sind die Kobalt- und Sauerstoffatome dort wohl geordnet. Soll jedoch kontinuierlich Sauerstoff erzeugt werden, bricht diese atomare Ordnung zusammen. Nach der Reaktion aber ordnen sich die Atome wieder in der ursprünglichen strukturellen Form an. Somit passt sich also der Katalysator wie ein Chamäleon an die äußeren Bedingungen an. Gleichzeitig vereinigt er die Vorteile der atomaren Ordnung im Ruhezustand und der Unordnung während des reaktiven katalytischen Zustands. Denn die atomare Ordnung erzeugt eine größere chemische Stabilität des Materials, während die Unordnung in den oberflächennahen Schichten eine größere strukturelle Flexibilität bedeutet, die die Bildung einer größeren Anzahl an katalytisch aktiven Kobaltatomen ermöglicht.
Die Ergebnisse von Prof. Dr. Peter Strasser und seinen Kollegen zeigen einen neuen Ansatz, der zu einem vereinheitlichten Verständnis der heterogenen Wasserelektrolyse führen und die Entwicklung von verbesserten Katalysatormaterialien zur effektiven Erzeugung von Wasserstoff ermöglichen wird.
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