Wasserspaltung im Nanobereich beobachtet
Es ist ein bekanntes Schulexperiment: Legt man zwischen zwei in Wasser steckenden Elektroden eine Spannung an, entstehen Wasserstoff und Sauerstoff. Für eine industrielle Nutzung dieses Prozesses ist es wichtig, die Wasserspaltung möglichst energieeffizient zu gestalten.
Maßgeblich für die Spaltungseffizienz ist neben dem Material der Elektrode auch ihre Oberflächenbeschaffenheit. Vornehmlich raue Stellen mit einer Größe von nur wenigen Nanometern, also millionstel Millimetern – sogenannte reaktive Zentren – verleihen Elektroden ihre besondere elektrochemische Reaktivität.
Bisherige Untersuchungsmethoden waren nicht genau genug, um die an diesen reaktiven Zentren der Elektrodenoberfläche ablaufenden chemischen Reaktionen mit ausreichender Ortsauflösung unter Realbedingungen, d.h. in Elektrolytlösung bei Raumtemperatur sowie unter Anlegung von Spannung, zu verfolgen.
Ein Team aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern um Dr. Katrin Domke, unabhängige Boehringer Ingelheim „Plus 3“ Gruppenleiterin am MPI-P, hat hierfür nun eine neue Methode entwickelt, mit der der Prozess der Wasserspaltung an einer Gold-Oberfläche erstmals mit räumlicher Auflösung von unter 10 Nanometern untersucht werden konnte.
„Wir konnten experimentell belegen, dass glatte Oberflächen weniger energieeffizient Wasser spalten, als dies Oberflächen mit Rauigkeiten im Nanometerbereich können“, so Katrin Domke. „Mit unseren Bildern verfolgen wir die katalytische Aktivität der reaktiven Zentren während der ersten Schritte der Wasserspaltung.“
Für ihre Methode kombinierten sie verschiedene Techniken: Bei der Raman-Streuung werden Moleküle mit Licht beleuchtet. Das von diesen zurückgeworfene Lichtspektrum enthält Informationen, die eine Art chemischen Fingerabdruck des Moleküls enthalten – also eine Aussage über die Molekülart erlauben. Raman-Spektroskopie ist jedoch typischerweise eine Technik, die nur sehr schwache und vor allem nicht räumlich aufgelöste Signale erzeugt.
Aus diesem Grund haben die Forscherinnen und Forscher die Raman-Technik mit der Rastertunnelmikroskopie kombiniert: indem sie eine mit Laserlicht beleuchtete, nanometerdünne Goldspitze über die zu untersuchende Oberfläche rastern, wird das Raman-Signal durch eine Art Antenneneffekt direkt an der Spitze um viele Zehnerpotenzen verstärkt.
Dadurch wird zum einen das Vermessen von nur einigen wenigen Molekülen ermöglicht. Zum anderen führt die starke Fokussierung des Lichts durch die Spitze zu einer Ortauflösung von unter zehn Nanometern. Die Besonderheit der Apparatur liegt dabei darin, dass sie unter Realbedingungen betrieben werden kann.
„Wir konnten aufzeigen, dass bei der Wasserspaltung an einer solchen rauen Stelle – also einem reaktiven Zentrum – zwei unterschiedliche Gold-Oxide gebildet, welche die wichtigen Zwischenprodukte bei der Trennung des Sauerstoffatoms von den Wasserstoffatomen darstellen könnten“, so Domke.
Mit ihren Untersuchungen ist es nun möglich, einen genaueren Einblick in die auf einer Nanometerskala ablaufenden Prozesse an reaktiven Oberflächen zu erhalten und damit in Zukunft effizientere Elektrokatalysatoren zu gestalten, bei denen weniger Energie aufgewendet werden muss, um Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten.
Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der renommierten Zeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.
Dr. Katrin F. Domke
Email: domke@mpip-mainz.mpg.de
Tel.: 06131 379-476
https://www.nature.com/articles/s41467-019-13692-3
DOI: 10.1038/s41467-019-13692-3
Media Contact
Weitere Informationen:
http://www.mpip-mainz.mpg.deAlle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie
Der innovations-report bietet im Bereich der "Life Sciences" Berichte und Artikel über Anwendungen und wissenschaftliche Erkenntnisse der modernen Biologie, der Chemie und der Humanmedizin.
Unter anderem finden Sie Wissenswertes aus den Teilbereichen: Bakteriologie, Biochemie, Bionik, Bioinformatik, Biophysik, Biotechnologie, Genetik, Geobotanik, Humanbiologie, Meeresbiologie, Mikrobiologie, Molekularbiologie, Zellbiologie, Zoologie, Bioanorganische Chemie, Mikrochemie und Umweltchemie.
Neueste Beiträge
Diamantstaub leuchtet hell in Magnetresonanztomographie
Mögliche Alternative zum weit verbreiteten Kontrastmittel Gadolinium. Eine unerwartete Entdeckung machte eine Wissenschaftlerin des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart: Nanometerkleine Diamantpartikel, die eigentlich für einen ganz anderen Zweck bestimmt…
Neue Spule für 7-Tesla MRT | Kopf und Hals gleichzeitig darstellen
Die Magnetresonanztomographie (MRT) ermöglicht detaillierte Einblicke in den Körper. Vor allem die Ultrahochfeld-Bildgebung mit Magnetfeldstärken von 7 Tesla und höher macht feinste anatomische Strukturen und funktionelle Prozesse sichtbar. Doch alleine…
Hybrid-Energiespeichersystem für moderne Energienetze
Projekt HyFlow: Leistungsfähiges, nachhaltiges und kostengünstiges Hybrid-Energiespeichersystem für moderne Energienetze. In drei Jahren Forschungsarbeit hat das Konsortium des EU-Projekts HyFlow ein extrem leistungsfähiges, nachhaltiges und kostengünstiges Hybrid-Energiespeichersystem entwickelt, das einen…