Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wasserspaltung im Nanobereich beobachtet

05.03.2020

Ob als Treibstoff oder Energiespeicher: Wasserstoff wird als Energieträger der Zukunft gehandelt. Wie genau der chemische Prozess der Zersetzung von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff auf molekularer Ebene an einer Katalysator-Oberfläche abläuft, war durch aktuelle Verfahren nur unzureichend beobachtbar. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz haben nun eine neue Methode entwickelt, um solche Prozesse im Nanometerbereich „live“ zu untersuchen. Mithilfe dieser detaillierten Einblicke in die Spaltung von Wasser an Gold-Oberflächen könnte das Design von energieeffizienten Katalysatoren in Zukunft deutlich erleichtert werden.

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.


An rauen Stellen einer Katalysator-Oberfläche wird Wasser energieeffizienter in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten als an glatten.

MPI-P, Lizenz CC-BY-SA

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.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Katrin F. Domke
Email: domke@mpip-mainz.mpg.de
Tel.: 06131 379-476

Originalpublikation:

https://www.nature.com/articles/s41467-019-13692-3
DOI: 10.1038/s41467-019-13692-3

Dr. Christian Schneider | Max-Planck-Institut für Polymerforschung
Weitere Informationen:
http://www.mpip-mainz.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forschung gegen das Corona-Virus – Gewebemodelle für schnelle Wirkstofftests
08.04.2020 | Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC

nachricht Mutation senkt Energieverschwendung bei Pflanzen
08.04.2020 | Ruhr-Universität Bochum

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Innovative Technologien für Satelliten

Er kommt ohne Verkabelung aus und seine tragende Struktur ist gleichzeitig ein Akku: An einem derart raffiniert gebauten Kleinsatelliten arbeiten Forschungsteams aus Braunschweig und Würzburg. Für 2023 ist das Testen des Kleinsatelliten im Orbit geplant.

Manche Satelliten sind nur wenig größer als eine Milchtüte. Dieser Bautypus soll jetzt eine weiter vereinfachte Architektur bekommen und dadurch noch leichter...

Im Focus: The human body as an electrical conductor, a new method of wireless power transfer

Published by Marc Tudela, Laura Becerra-Fajardo, Aracelys García-Moreno, Jesus Minguillon and Antoni Ivorra, in Access, the journal of the Institute of Electrical and Electronics Engineers

The project Electronic AXONs: wireless microstimulators based on electronic rectification of epidermically applied currents (eAXON, 2017-2022), funded by a...

Im Focus: Belle II liefert erste Ergebnisse: Auf der Suche nach dem Z‘-Boson

Vor ziemlich genau einem Jahr ist das Belle II-Experiment angelaufen. Jetzt veröffentlicht das renommierte Journal Physical Review Letters die ersten Resultate des Detektors. Die Arbeit befasst sich mit einem neuen Teilchen im Zusammenhang mit der Dunklen Materie, die nach heutigem Kenntnisstand etwa 25 Prozent des Universums ausmacht.

Seit etwa einem Jahr nimmt das Belle II-Experiment Daten für physikalische Messungen. Sowohl der Elektron-Positron-Beschleuniger SuperKEKB als auch der...

Im Focus: Belle II yields the first results: In search of the Z′ boson

The Belle II experiment has been collecting data from physical measurements for about one year. After several years of rebuilding work, both the SuperKEKB electron–positron accelerator and the Belle II detector have been improved compared with their predecessors in order to achieve a 40-fold higher data rate.

Scientists at 12 institutes in Germany are involved in constructing and operating the detector, developing evaluation algorithms, and analyzing the data.

Im Focus: Wenn Ionen an ihrem Käfig rütteln

In vielen Bereichen spielen „Elektrolyte“ eine wichtige Rolle: Sie sind bei der Speicherung von Energie in unserem Körper wie auch in Batterien von großer Bedeutung. Um Energie freizusetzen, müssen sich Ionen – geladene Atome – in einer Flüssigkeit, wie bspw. Wasser, bewegen. Bisher war jedoch der präzise Mechanismus, wie genau sie sich durch die Atome und Moleküle der Elektrolyt-Flüssigkeit bewegen, weitgehend unverstanden. Wissenschaftler*innen des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung haben nun gezeigt, dass der durch die Bewegung von Ionen bestimmte elektrische Widerstand einer Elektrolyt-Flüssigkeit sich auf mikroskopische Schwingungen dieser gelösten Ionen zurückführen lässt.

Kochsalz wird in der Chemie auch als Natriumchlorid bezeichnet. Löst man Kochsalz in Wasser lösen sich Natrium und Chlorid als positiv bzw. negativ geladene...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium AWK’21 findet am 10. und 11. Juni 2021 statt

06.04.2020 | Veranstaltungen

Interdisziplinärer Austausch zum Design elektrochemischer Reaktoren

03.04.2020 | Veranstaltungen

13. »AKL – International Laser Technology Congress«: 4.–6. Mai 2022 in Aachen – Lasertechnik Live bereits früher!

02.04.2020 | Veranstaltungen

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

Kleine Flugplätze durch Virtual Reality unterstützen

08.04.2020 | Verkehr Logistik

Forschung gegen das Corona-Virus – Gewebemodelle für schnelle Wirkstofftests

08.04.2020 | Biowissenschaften Chemie

Kostengünstiges mobiles Beatmungsgerät entwickelt

08.04.2020 | Medizintechnik

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