Atomistic Insights into Electrocatalysis

Neueste Ergebnisse veröffentlicht in Nature Catalysis

Das Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH (MPIE) betreibt Grundlagenforschung an metallischen Legierungen und verwandten Materialien, um Fortschritte in den Bereichen Mobilität, Energie, Infrastruktur, Medizin und Sicherheit zu ermöglichen. Es wird von der Max-Planck-Gesellschaft und dem Stahlinstitut VDEh finanziert. Auf diese Weise wird die Grundlagenforschung mit innovativen anwendungs- und verfahrenstechnischen Entwicklungen zusammengeführt.

Publikation:
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

Elektrokatalysatoren sind für viele industrielle Prozesse wichtig, da sie die Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie verbessern und so dazu beitragen, überschüssige elektrische Energie aus erneuerbaren Energiequellen zu speichern. Es wird erwartet, dass Wasserstoff für die Speicherung chemischer Energie von entscheidender Bedeutung ist. Wasserstoff kann durch Wasserspaltung erzeugt werden: die Aufteilung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff durch einen elektrischen Strom, der durch das Wasser fließt. Um die Wasserspaltung zu beschleunigen, werden Elektrokatalysatoren eingesetzt. Je besser der Elektrokatalysator, desto schneller der Prozess. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung, des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien, der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und der Ruhr-Universität Bochum fanden heraus, dass die obersten Atomschichten von Elektrokatalysatoren chemische Spezies enthalten, die ihre Effizienz bestimmen und zeigen, wie sie zur Beschleunigung der Wasserspaltung beeinflusst werden können. Dies ist ein weiterer Schritt in Richtung einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft. Sie haben nun ihre neuesten Erkenntnisse in der Naturkatalyse veröffentlicht.

Um effizientere Elektrokatalysatoren für die Energieumwandlung zu entwickeln, muss der Zusammenhang zwischen der Oberflächenzusammensetzung der Elektrode und ihrem elektrochemischen Verhalten in operando verstanden werden. Der bisherige Engpass der effizienten Wasserspaltung liegt in der Sauerstoffevolutionsreaktion (OER) - eine der beiden Reaktionen bei der Wasserspaltung. Derzeit führt das OER zu einer nachteiligen Veränderung der Oberflächenzusammensetzung der Elektrode und beeinflusst damit die elektrokatalytischen Eigenschaften. "Iridium ist bekannt als effizienter Elektrokatalysator mit hoher Aktivität und Langzeitstabilität während der OER. Ich benutzte Photoelektronenspektroskopie und Scanning-Durchflusszellentechniken, um die Oberfläche von Iridiumoxiden zu analysieren. So haben wir Einblicke in die elektronischen Eigenschaften der Oberflächenoxide sowie in die elektrokatalytische Aktivität und Stabilität gewonnen", erklärt Dr. Olga Kasian, Alexander von Humboldt-Fellow am MPIE. In einem weiteren Schritt analysierten die Wissenschaftler mit Hilfe der Atomsonden-Tomographie die chemischen Spezies an der Oberfläche von Iridiumoxiden, um die beobachtete Steigerung der Aktivität in den ersten Phasen der OER und die anschließende Verschlechterung zu verstehen. Diese nahezu atomare 3D-Charakterisierung zeigte die Verteilung der einzelnen Arten innerhalb der Oberflächenoxide. "Unsere Messungen zeigen, dass sich Oxidcluster hauptsächlich an bestimmten mikrostrukturellen Merkmalen, wie beispielsweise Korngrenzen, lokalisieren.

Bei anhaltendem OER konzentrieren sich die Wassermoleküle und Hydroxylgruppen, die wir nur durch Isotopenmarkierung sicher identifizieren konnten, innerhalb von Oxidinseln und verbleiben nur an der Oberfläche des elektrochemischen Oxids. Die Entwicklung dieser Oxidinseln führt zu einer Verschlechterung der Aktivität", erklärt Dr. Baptiste Gault, Leiter der Gruppe Atom Probe Tomography am MPIE.

Das Team aus Materialwissenschaftlern und Chemikern kommt zu dem Schluss, dass die Aktivität und Stabilität von Iridium während der OER durch Veränderungen der Zusammensetzung von Oberflächenarten beeinflusst wird. Sie zeigten, wie die Kopplung von elektrochemischen Techniken und atomarer Tomographie das Verständnis komplexer Zusammenhänge zwischen Oberflächenstruktur, -zustand und -funktion in der Elektrokatalyse verbessert, durch die die Wasserspaltung und damit die nachhaltige Energiespeicherung in Zukunft effizienter gestaltet werden kann.

Kontakt:

Yasmin Ahmed Salem, M.A.
Beauftragte für Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
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