Wirkungsweise wichtiger Katalysatoren entschlüsselt

Sauerstoffblasen, die an einem Elektrokatalysator bei der Spaltung von Wasser entstehen. (Bild: ETH Zürich / Matthias Frei)

Die Spal­tung von Was­ser in Was­ser­stoff und Sauer­stoff ist ei­ne wich­ti­ge che­mi­sche Re­ak­ti­on, auch im Hin­blick auf die ver­mehr­te Nut­zung von Was­ser­stoff als En­er­gie­trä­ger in nach­hal­ti­ger Mo­bi­li­tät. Ein in­ter­na­tio­na­les For­scher­team hat nun die Wir­kungs­wei­se ei­nes Ka­ta­ly­sa­tors ent­schlüs­selt.

Was­ser­stoff, ins­be­son­de­re sol­cher, der «grün» her­ge­stellt wur­de durch die Spal­tung von Was­ser mit er­neu­er­ba­rem Strom, gilt als Schlüs­sel­ele­ment ei­ner zu­künf­ti­gen nach­hal­ti­gen Mo­bi­li­tät. Ei­ner­seits kann Was­ser­stoff in Brenn­stoff­zel­len che­misch re­agie­ren und zur Ge­win­nung elek­tri­scher En­er­gie be­nutzt wer­den. Da­mit kön­nen Elek­tro­mo­to­ren an­ge­trie­ben wer­den. An­de­rer­seits kommt er bei der Her­stel­lung von syn­the­ti­schen Flüs­sigtreib­stof­fen zum Ein­satz.

Die Spal­tung von Was­ser mit­tels Strom (Elek­tro­ly­se) er­folgt durch zwei Re­ak­tio­nen, von de­nen die ei­ne nicht oh­ne die an­de­re statt­fin­den kann: Die Ent­ste­hung von Was­ser­stoff und je­ne von Sauer­stoff an je ei­nem elek­tri­schen Pol (Elek­tro­de). Was­ser­stoff­ent­wick­lung und Sauer­stoff­ent­wick­lung nen­nen Che­mi­ker die bei­den Teil­re­ak­tio­nen. Um den Ge­samt­pro­zess en­er­gie­ef­fi­zi­en­ter zu ge­stal­ten, for­schen Wis­sen­schaft­ler am Ein­satz neu­er Ma­te­ria­li­en, die ka­ta­ly­tisch wir­ken und so­mit die Teil­re­ak­tio­nen be­güns­ti­gen. Die­se sol­len im Be­reich der Elek­tro­den zum Ein­satz kom­men.

Ober­flä­chen­che­mie mass­ge­bend

«Bei der Er­ar­bei­tung von Ka­ta­ly­sa­to­ren für die bei­den Teil­re­ak­tio­nen ist die Sauer­stoff­ent­wick­lungs­re­ak­ti­on die weit grös­se­re Her­aus­for­de­rung», sagt Ja­vier Pérez-​Ramírez, Pro­fes­sor für Katalyse-​Engineering an der ETH Zü­rich. In ei­ner neu­en Ar­beit hat ein in­ter­na­tio­na­les For­schungs­team un­ter Lei­tung des Fritz-​Haber-Instituts der Max-​Planck-Gesellschaft in Ber­lin und un­ter Mit­wir­kung der ETH Zü­rich nun grund­le­gend neue Kennt­nis­se zu Ka­ta­ly­sa­tor­ma­te­ria­li­en die­ser Sauer­stoff­ent­wick­lungs­re­ak­ti­on ge­won­nen: Die Wis­sen­schaft­ler konn­ten zei­gen, dass für ei­ne gu­te ka­ta­ly­ti­sche Leis­tung vor al­lem Vor­gän­ge an der Ober­flä­che des Ka­ta­ly­sa­tors ver­ant­wort­lich sind und we­ni­ger elek­tro­che­mi­sche Vor­gän­ge.

«Auch wenn es sich bei der un­ter­such­ten Re­ak­ti­on um ei­ne spe­zi­el­le Form der Ka­ta­ly­se han­delt, näm­lich der Elek­tro­ka­ta­ly­se, folgt sie den be­kann­ten Ge­set­zen von tra­di­tio­nel­len ka­ta­ly­ti­schen Re­ak­tio­nen», sagt Gui­do Zi­chit­tel­la, Wis­sen­schaft­ler in Pérez-​Ramírez’ Grup­pe. Die­se Er­kennt­nis ist neu, denn bis­her ver­mu­te­ten Wis­sen­schaft­ler, dass vor al­lem elek­tro­che­mi­sche Vor­gän­ge die Leis­tungs­fä­hig­keit elek­tro­ka­ta­ly­ti­scher Re­ak­tio­nen be­stim­men.

Ka­ta­ly­sa­to­ren mit be­stimm­ter Ak­ti­vi­tät

Die Wis­sen­schaft­ler be­nutz­ten in ih­rer Stu­die als Ka­ta­ly­sa­tor je­nes Ma­te­ri­al, das heu­te in For­schungs­la­bors für die­se Re­ak­ti­on am häu­figs­ten ver­wen­det wird: Iri­di­um­oxid. ETH-​Professor Pérez-​Ramírez und sei­ne Grup­pe stell­ten Ka­ta­ly­sa­to­ren mit un­ter­schied­li­cher Ak­ti­vi­tät her. Sie er­setz­ten da­bei im Ka­ta­ly­sa­tor un­ter­schied­li­che Men­gen von ka­ta­ly­tisch ak­ti­ven Sauer­stoff­ato­men durch ka­ta­ly­tisch in­ak­ti­ve Chlor­ato­me. Die­se Ka­ta­ly­sa­to­ren er­mög­lich­ten es, die Ef­fek­te der Ober­flä­chen­che­mie ge­trennt von Ef­fek­ten der Elek­tro­che­mie zu un­ter­su­chen.

Die neue Er­kennt­nis könn­te bei der Ent­wick­lung von leis­tungs­fä­hi­ge­ren Elek­tro­ka­ta­ly­sa­to­ren so­wie der Su­che nach neu­en, bil­li­ge­ren Ka­ta­ly­sa­tor­ma­te­ria­len hel­fen, um auf nach­hal­ti­ge, en­er­gie­ef­fi­zi­en­te und güns­ti­ge Wei­se Was­ser­stoff her­zu­stel­len.

An die­ser For­schungs­ar­beit wa­ren Wis­sen­schaft­ler des Fritz-​Haber-Instituts der Max-​Planck-Gesellschaft, der Tech­ni­schen Uni­ver­si­tät Ber­lin, des Max-​Planck-Instituts für Che­mi­sche En­er­gie­kon­ver­si­on, der ETH Zü­rich und des Is­ti­tu­to of­fi­ci­na dei ma­te­ria­li in Tri­est be­tei­ligt.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Javier Pérez Jamirez: jpr@chem.ethz.ch

Li­te­ra­tur­hin­weis

Nong HN et al.: Key ro­le of che­mi­s­try ver­sus bi­as in elec­tro­ca­ta­ly­tic oxy­gen evo­lu­ti­on. Na­tu­re, 18. Ok­to­ber 2020, doi: 10.1038/s41586-​020-2908-2

https://ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2020/11/decoding-the%20way-catalysts-work.html

Media Contact

Lina Ehlert Hochschulkommunikation
Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

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