Der Energieträger Wasserstoff kann durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen werden. Besonders gut funktioniert das mit Mangan-haltigen Cobalt-Spinell-Katalysatoren. Warum war allerdings bislang unklar.

Herkömmliche Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse beinhalten in der Regel Edelmetalle und sind teuer. Mittlerweile sind aber auch günstigere Alternativen bekannt, zum Beispiel Cobalt-Mangan-Katalysatoren. Sie haben eine hohe Aktivität und sind über lange Zeit stabil. Entscheidend dafür ist der Mangan-Anteil. Warum das so ist, war lange unklar. Den Mechanismus haben Forschende der Ruhr-Universität Bochum, der Max-Planck-Institute für Nachhaltige Materialien und für Chemische Energiekonversion, des Forschungszentrums Jülich und der Universität Duisburg-Essen entschlüsselt. Sie berichten über die Ergebnisse in der Zeitschrift Advanced Energy Materials vom 7. Oktober 2024.

Kombination verschiedener Methoden war Schlüssel zum Erfolg

Wasserstoff kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung aus Wasser gewonnen werden; es entstehen Wasserstoff und Sauerstoff. Der limitierende Schritt bei dieser Reaktion ist die Sauerstoffproduktion, sodass Forschende auf der Suche nach den optimalen Katalysatoren dafür sind. Cobalt-Elektrokatalysatoren mit einer bestimmten geometrischen Struktur, der sogenannten Spinell-Struktur, sind normalerweise nicht sehr effizient und auch nicht langzeitstabil. Das ändert sich jedoch, wenn sie Mangan enthalten.

Was genau an der Oberfläche der Katalysatoren bei der Elektrolyse von Wasser passiert, hat das Forschungsteam mit verschiedenen Methoden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 247 „Heterogeneous Oxidation Catalysis in the Liquid Phase“ untersucht. „Der Zusammenschluss der Institute hat es uns ermöglicht, die Vorgänge an der Elektrodenoberfläche mit verschiedenen Methoden zu beobachten – und diese Kombination war der Schlüssel zum Erfolg“, sagt Prof. Dr. Tong Li, Leiterin der Atomic-Scale Characterisation an der Ruhr-Universität Bochum. Sie selbst ist Expertin für Atomsondentomografie, eine Methode, die hilft, die räumliche Verteilung von Materialien Atom für Atom sichtbar zu machen. Das Team kombinierte dieses Verfahren mit der Transmissionselektronen-Mikroskopie, einer besonderen Form von Röntgenabsorptions-Spektroskopie (x-ray fine structure absorption) und der Röntgenphotoelektronen-Spektroskopie.

Einsteigen, aussteigen: Wie ein Passagier im Bus 

Die Gruppe zeigte, dass das Mangan sich während der Reaktion aus der Cobalt-Spinell-Oberfläche löst und dann wieder an diese anlagert. „Es ist wie ein Passagier im Bus, der immer wieder ein- und aussteigt“, veranschaulicht Tong Li.

Förderung 

Die Arbeiten wurden gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Sonderforschungsbereichs/Transregios 247 (Projektnummer 388390466) sowie des Exzellenzclusters Ruhr Explores Solvation (RESOLV, EXC 2033–390677874). Weitere Unterstützung stammte aus dem Max Planck Fellowship Programme.

Originalveröffentlichung 

Biao He et al.: Effects of Dynamic Surface Transformation on the Activity and Stability of Mixed Co-Mn Cubic Spinel Oxides in the Oxygen Evolution Reaction in Alkaline Media, in: Advanced Energy Materials, 2024, DOI: 10.1002/aenm.202403096