Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Atomare Untersuchungen verbessern Verständnis der Elektrokatalyse

06.04.2018

Neueste Ergebnisse in Nature Catalysis veröffentlicht

Elektrokatalyse ist ein aus der Industrie nicht wegzudenkender Prozess um elektrische Energie direkt in chemische Energie umzuwandeln. Dies wird zunehmend wichtig, da die Menge an elektrischer Energie welche aus erneuerbaren Quellen erzeugt wird, nur bedingt den täglichen Verbrauchsschwankungen angepasst werden kann.


Elektrokatalyse trifft auf Atomsondentomographie.

O. Kasian, T. Li, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH


Dr. Olga Kasian untersuchte die Oberfläche von Iridium-Oxiden mit der Rasterdurchflusszelle, einer Technik die hauptsächlich von Prof. Mayrhofer während seiner Zeit am MPIE entwickelt wurde.

Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Eine Möglichkeit überschüssigen Strom für eine spätere Verwendung zu speichern, ist ihn zum Beispiel zur Wasserstofferzeugung zu verwenden. Wasserstoff ist ein speicherbarer Energieträger mit enormen Potential für die Zukunft. Wasserstoff entsteht durch die elektrochemische Trennung von Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff. Um diese Trennung zu beschleunigen werden Elektrokatalysatoren verwendet.

Je besser der Katalysator, desto effizienter und schneller ist die sogenannte Wasserelektrolyse. Eine Gruppe aus Wissenschaftlern vom Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE), dem Helmholtz Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI-ERN), der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sowie der Ruhr-Universität Bochum (RUB) haben nun durch die Verwendung von hochaufgelösten Mikroskopiemethoden herausgefunden, dass die ersten atomaren Schichten an der Oberfläche von Elektrokatalysatoren chemische Veränderungen aufweisen, die die Effizienz des Katalysators bestimmen.

Durch die Optimierung der Oberfläche ist es somit möglich die Wasserelektrolyse zu beschleunigen. Dies ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft. Die neuesten Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift 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. Zum momentanen Stand der Wissenschaft ist die Sauerstoffevolutionsreaktion (englisch: oxygen evolution reaction, OER), also die Spaltung von Wasser in einen seiner Bestandteile Sauerstoff, der bestimmende Schritt der Wasserelektrolyse.

Dies ist zu einem großen Teil der Veränderung der Oberflächenzusammensetzung des Katalysators während dieser Reaktion geschuldet. „Das Element Iridium ist als Elektrokatalysator mit hoher Aktivität und Langzeitstabilität bekannt. Durch die Verwendung von Photoelektronenspektroskopie und einer elektrochemischen Durchflusszelle haben wir bereits Messungen zu elektronischen Eigenschaften, sowie Aktivität und Stabilität des sich bildenden Oberflächenoxids durchgeführt.“, so Dr. Olga Kasian, eine Alexander von Humboldt Stipendiatin am MPIE.

Mit Hilfe der Atomsonde, einem Analysegerät welches nahezu atomgenau ein Material darstellt, untersuchten die Wissenschaftler die Katalysatoren. Betrachtet wurden die besonders interessanten frühen Stadien des Betriebs, in denen eine erhöhte Aktivität festgestellt wurde, sowie die späteren Stadien in denen eine Abnahme des Wasserstoffgehaltes während der Elektrolyse beobachtet wird.

Durch das räumliche Auflösungsvermögen der Atomsonde konnten die dafür verantwortlichen Oberflächenstrukturen dreidimensional abgebildet werden, aufgelöst nach chemischen Elementen. Dr. Baptiste Gault, Gruppenleiter für Atomsondentomographie am MPIE erklärt:

„Unsere Untersuchungen zeigen, dass Oxidcluster sich vermehrt an bestimmten Mikrostrukturen wie zum Beispiel an Korngrenzen, bilden. Nach längerer Wasserelektrolyse konzentrieren sich die Wassermoleküle und Hydroxylgruppen in Oxidclustern und bleiben an der Oberfläche. Dies haben wir durch Markieren mit Isotopen nachgewiesen. Genau diese Oxidcluster sind dafür verantwortlich, dass die Effizienz der Katalysatoren im Laufe der Elektrolyse sinkt.“

Das Team der Werkstoffwissenschaftler und Chemiker kommt daher zum Schluss, dass die Aktivität und Stabilität von Iridium während der OER stark von den nanoskaligen Änderungen der Oberflächenzusammensetzung abhängt.

„Dieser innovative Ansatz, der aus der äußerst effektiven Zusammenarbeit zwischen FAU, HI-ERN, MPIE und RUB entsprungen ist, stellt eine bedeutende Grundlage für die Entwicklung von Materialsystemen und elektrochemischen Reaktoren für die Energieumwandlung und –speicherung dar.“, ergänzt Prof. Dr. Karl J.J. Mayrhofer, Direktor des HI-ERN und Professor für Elektrokatalyse an der FAU.

In der veröffentlichten Arbeit zeigten die Wissenschaftler auch wie die Kombination von elektrochemischen Messungen und Atomsondentomographie das Verständnis der Beziehungen zwischen Oberflächenstruktur, -zustand und -funktion in Elektrokatalyse verbessert werden kann. Dies ist eine Voraussetzung, um Wasserelektrolyse zu einer nachhaltigen Energiespeichertechnologie zu machen.“

Veröffentlichung:
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. DOI: 10.1038/s41929-018-0043-3

Weitere Informationen:

https://www.mpie.de/3784842/nature-catalysis-publication

Yasmin Ahmed Salem M.A. | Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH
Weitere Informationen:
http://www.mpie.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Intelligente Bauteile für das Stromnetz der Zukunft
18.04.2018 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

nachricht Energie: Preiswertere, weniger toxische und recycelbare Lichtsensoren zur Wasserstoffherstellung
17.04.2018 | Wissenschaftliche Abteilung, Französische Botschaft in der Bundesrepublik Deutschland

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...

Im Focus: Spider silk key to new bone-fixing composite

University of Connecticut researchers have created a biodegradable composite made of silk fibers that can be used to repair broken load-bearing bones without the complications sometimes presented by other materials.

Repairing major load-bearing bones such as those in the leg can be a long and uncomfortable process.

Im Focus: Verbesserte Stabilität von Kunststoff-Leuchtdioden

Polymer-Leuchtdioden (PLEDs) sind attraktiv für den Einsatz in großflächigen Displays und Lichtpanelen, aber ihre begrenzte Stabilität verhindert die Kommerzialisierung. Wissenschaftler aus dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP) in Mainz haben jetzt die Ursachen der Instabilität aufgedeckt.

Bildschirme und Smartphones, die gerollt und hochgeklappt werden können, sind Anwendungen, die in Zukunft durch die Entwicklung von polymerbasierten...

Im Focus: Writing and deleting magnets with lasers

Study published in the journal ACS Applied Materials & Interfaces is the outcome of an international effort that included teams from Dresden and Berlin in Germany, and the US.

Scientists at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) together with colleagues from the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) and the University of Virginia...

Im Focus: Gammastrahlungsblitze aus Plasmafäden

Neuartige hocheffiziente und brillante Quelle für Gammastrahlung: Anhand von Modellrechnungen haben Physiker des Heidelberger MPI für Kernphysik eine neue Methode für eine effiziente und brillante Gammastrahlungsquelle vorgeschlagen. Ein gigantischer Gammastrahlungsblitz wird hier durch die Wechselwirkung eines dichten ultra-relativistischen Elektronenstrahls mit einem dünnen leitenden Festkörper erzeugt. Die reichliche Produktion energetischer Gammastrahlen beruht auf der Aufspaltung des Elektronenstrahls in einzelne Filamente, während dieser den Festkörper durchquert. Die erreichbare Energie und Intensität der Gammastrahlung eröffnet neue und fundamentale Experimente in der Kernphysik.

Die typische Wellenlänge des Lichtes, die mit einem Objekt des Mikrokosmos wechselwirkt, ist umso kürzer, je kleiner dieses Objekt ist. Für Atome reicht dies...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

124. Internistenkongress in Mannheim: Internisten rücken Altersmedizin in den Fokus

19.04.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Juni 2018

17.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

20.04.2018 | Biowissenschaften Chemie

Digitale Medien für die Aus- und Weiterbildung: Schweißsimulator auf Hannover Messe live erleben

20.04.2018 | HANNOVER MESSE

Neurodegenerative Erkrankungen - Fatale Tröpfchen

20.04.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics