Wasserstoffelektrolyse Effiziente Katalyse auch ohne teure Edelmetalle

Edelmetalle sind oft effiziente Katalysatoren. Aber sie sind teuer und selten. Wie effizient edelmetallfreie Alternativen sind, ist bislang jedoch schwer zu bestimmen. Mithilfe elektrochemischer Analysen einzelner Partikel ist es Forscherinnen und Forschern von der Ruhr Universität Bochum nun gelungen, die Aktivität und den Stoffumsatz von Nanokatalysatoren aus Cobalt-Eisenoxid zu bestimmen – und zwar ohne Bindemittel.

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Bochum – Edelmetallfreie Nanopartikel könnten eines Tages teure Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion ersetzen. Welche Reaktionsraten sie erreichen können, ist allerdings oft schwer zu bestimmen, insbesondere wenn es sich um Oxidpartikel handelt. Denn die Partikel müssen mit einem Bindemittel und leitfähigen Zusätzen an der Elektrode befestigt werden, was die Ergebnisse verzerrt. Die Entwicklung edelmetallfreier Katalysatoren spielt bei der Realisierung der Energiewende aber eine entscheidende Rolle. Nur sie sind kostengünstig und zahlreich genug verfügbar, um erneuerbare Brennstoffe in der benötigten Menge zu produzieren, sagt Kristina Tschulik, Mitglied im Exzellenzcluster Ruhr Explores Solvation, kurz Resolv. Wasserstoff, ein vielversprechender Energieträger, kann durch Elektrolyse, also durch die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen werden. Der limitierende Faktor dabei ist bislang die Teilreaktion, in der Sauerstoff entsteht.

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Besser als aktuelle industriell erzielte Reaktionsraten

Wie effizient Cobalt-Eisenoxid-Partikel die Sauerstoffentwicklung katalysieren können, untersuchten die Forscherinnen und Forscher in der aktuellen Arbeit. Sie analysierten viele einzelne Partikel nacheinander. An der Elektrodenoberfläche ließen die Chemiker ein Partikel die Sauerstoffentwicklung katalysieren und maßen den dabei entstehenden Stromfluss, welcher Aufschluss über die Reaktionsrate gibt. Tschulik berichtet, dass das Team Stromdichten von mehreren Kiloampere pro Quadratmeter gemessen hat. Das liegt oberhalb der derzeit industriell möglichen Reaktionsraten.

Das Team zeigte, dass für Partikel unter zehn Nanometern Größe der Stromfluss von der Partikelgröße abhängt – je kleiner der Katalysatorpartikel war, desto kleiner der Stromfluss. Außerdem wird der Stromfluss durch den Sauerstoff begrenzt, der in der Reaktion entsteht und von der Partikeloberfläche wegdiffundiert.

Extrem stabil trotz hoher Belastung

Nach den Katalyseexperimenten betrachteten die Chemiker die Katalysatorpartikel unter dem Transmissionselektronenmikroskop. „Trotz der hohen Reaktionsraten, also obwohl die Partikel so viel Sauerstoff erzeugt hatten, veränderten sie sich kaum“, resümiert Tschulik. Die Stabilität unter extremen Bedingungen sei ausgezeichnet.

Der in der aktuellen Arbeit verwendete Analyseansatz ist auch auf andere Elektrokatalysatoren übertragbar. Mehr über die Aktivitäten von Nanokatalysatoren zu erfahren sei unabdingbar, um edelmetallfreie Katalysatoren für erneuerbare Energietechnologien von morgen effizient weiterentwickeln zu können, so die Bochumer Chemikerin. Um den Einfluss der Größe auf die katalytische Aktivität genau untersuchen zu können, sei es wichtig, die Nanopartikel in definierten Größen produzieren zu können. Im Rahmen der Universitätsallianz Ruhr kooperiert das Bochumer Team daher eng mit Forschern der Universität Duisburg-Essen um Prof. Dr. Stephan Schulz, die die Katalysatorpartikel herstellen.

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