Kostengünstigere Elektrolyse Katalysatoren – Schlüssel zur effizienteren Produktion von grünem Wasserstoff?

Redakteur: MA Alexander Stark

Eine Schicht, dünn wie ein einziges Atom, reicht aus, um auf der Oberfläche einer Elektrode die Menge des Wassers zu verdoppeln, die in einer Elektrolyse-Anlage gespalten wird – und damit auch die Menge des produzierten Wasserstoffs. Das berichten Forschende aus Jülich, Aachen, Stanford und Berkeley in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Materials.

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Forschende aus Jülich, Aachen, Stanford und Berkeley haben den schichtweisen Aufbau eines Katalysatormaterials untersucht.
Forschende aus Jülich, Aachen, Stanford und Berkeley haben den schichtweisen Aufbau eines Katalysatormaterials untersucht.
(Bild: CUBE3D Graphic)

Jülich – Forschende aus Jülich, Aachen, Stanford und Berkeley haben den schichtweisen Aufbau eines Katalysatormaterials untersucht und herausgefunden, dass eine atomar dünne Oberflächenschicht die Aktivität für die Wasserspaltungsreaktion verdoppeln kann. Dem internationalen Forscherteam ist es gelungen, durch Untersuchung des modellhaften Materials ein detaillierteres Verständnis davon zu gewinnen, wie sich die Eigenschaften einer katalytisch wirkenden Elektrode aus ihrem Aufbau ergeben. Gefördert mit einem Global Fellowship der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen wurde hierfür die Forschung sowohl in Jülich und Aachen als auch in den USA vorangetrieben. Christoph Bäumer, Erstautor der Studie, die dabei erstellt wurde erhofft sich von diesem erweiterten Verständnis, dass in Zukunft bessere Katalysatoren entwickelt werden können, die grünen Wasserstoff energieeffizienter und damit kostengünstiger herstellen als bisher.

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Als grün wird das farblose Wasserstoff-Gas dann bezeichnet, wenn es durch die Elektrolyse von Wasser klimaneutral mit Strom aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird. Wasserstoff gilt als wesentlicher Baustein der Energiewende, unter anderem, weil er Wind- und Sonnenenergie in Zeiten des Überangebots speichern und später wieder freisetzen kann. Die elektrolytische Wasserstoffproduktion an der negativ geladenen Elektrode (Kathode) kann allerdings nicht ohne eine Sauerstoffentwicklung an der positiv geladenen Elektrode (Anode) stattfinden. Katalysatoren, die diese Sauerstoffentwicklung begünstigen, machen somit auch den Gesamtprozess energieeffizienter. Der hohe Energiebedarf ist bisher eine der Haupthürden für die breite Nutzung von Wasserstoff.

Lanthannickelat mit der Summenformel LaNiO3, zur Materialklasse der Perowskite gehörend, ist ein solcher Katalysator. In seiner Kristallstruktur wechseln sich Nickel-Oxid- und Lanthan-Oxid-Schichten ab. Die Forscher haben Lanthannickelat-Katalysatoren präziser produziert und genauer untersucht als andere Wissenschaftler vorher. Denn sie stellten zwei verschiedene Arten hochreiner LaNiO3-Kristalle her: Bei der einen Art enden die Kristalle an einer Oberfläche, in der sich nur Lanthan- und Sauerstoff-Atome befinden. Fachleute sprechen von einer Lanthan-Terminierung. Bei der anderen Art bilden Nickel- und Sauerstoff-Atome die Oberfläche (Nickel-Terminierung).

Es zeigte sich, dass eine Nickel-terminierte Anode in der gleichen Zeit doppelt so viel Sauerstoff produziert wie eine ebenso große Lanthan-terminierte Elektrode. Eine einzige Lage von Nickel- und Sauerstoffatomen ist offensichtlich für eine ganz erhebliche Steigerung der katalytischen Aktivität des Materials verantwortlich.

Das Wissenschaftlerteam konnte auch einen Grund dafür finden: Während der Elektrolyse entsteht auf dem Nickel-terminierten Kristall eine ungeordnete, katalytisch sehr aktive Schicht aus Nickeldioxid, die sich bei Lanthan-Terminierung nicht bilden kann. Diese neu gebildete Nickeloxidschicht hat im Vergleich zur Ausgangsstruktur ideale Bindungszustände zwischen Nickelionen und Sauerstoff- oder Hydroxidionen, was die Aktivität erhöht. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass man auch bei anderen Materialien die Terminierung und die daraus folgende Strukturänderung unter Betriebsbedingungen berücksichtigen muss, wenn man besonders aktive Katalysatoren entwickeln will.

Darüber hinaus zeigen die Forschungsergebnisse die Stellschrauben, um bei Perowskit-Materialien diese Terminierung festzulegen: Eine davon ist die Temperatur, bei der sie hergestellt werden. Beim Lanthan-Nickel-Perowskit begünstigen hohe Temperaturen die Lanthan-Terminierung, stellten die Wissenschaftler fest. Um Nickel-terminierte Kristalle herzustellen, wurde ein Verfahren eingesetzt, mit dem man gezielt eine atomar dünne Schicht aus Nickelatomen auf die Oberfläche eines Lanthan-terminierten Kristalls aufbringen kann.

Ihre Ergebnisse konnten die Forschenden nur verstehen, weil sie erstmals in der Elektrokatalysator-Forschung eine Methode einsetzten, bei der die Zusammensetzung der Kristalloberfläche mittels stehender Wellen von Synchrotron-Röntgenstrahlung analysiert wird. Diese stehenden Wellen lassen sich durch Interferenz des einfallenden und des ausfallenden Röntgenstrahls erzeugen. Voraussetzung dafür war die atomar präzise Herstellung eines LaNiO3-Röntgenspiegels aus 40 alternierenden Schichten, auf denen die Forschenden dann die zu untersuchende Schicht aufgebracht haben. Als Röntgenquelle nutzten die Wissenschaftler die Advanced Light Source in Berkeley, USA. Die optimierten Bindungszustände zwischen Nickelionen und Sauerstoff- oder Hydroxidionen in der veränderten Nickeloberfläche wurden durch Berechnungen von Wissenschaftlern am SLAC National Accelerator Laboratoy in Menlo Park, USA, ersichtlich.

Originalpublikation: 'Tuning electrochemially driven surface transformation in atomically flat LaNiO3 thin films for enhanced water electrolysis'; C. Baeumer, J. Li, Q. Lu, A. Liang, L. Jin, H. Martins, T. Duchoň, M. Glöß, S. M. Gericke, M. A. Wohlgemuth, M. Giesen, E. E. Penn, R. Dittmann, F. Gunkel, R. Waser, M. Bajdich, S. Nemšák, J. T. Mefford, W. C. Chueh; Nature Materials, 11 January 2021, DOI: 10.1038/s41563-020-00877-1

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