Wasserstoffherstellung Wie Forscher Strategien für das Katalysator-Design entwickeln

Wissenschaftlerteams der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und der britischen Universität Warwick haben kleinste Details der Wasserstoffproduktion am synthetischen Mineral Pentlandit beobachtet. Mit diesen Erkenntnissen wollen die Forscher Strategien für das Design robuster und kostengünstiger Katalysatoren für die Wasserstoffherstellung entwickeln.

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Ruhr-Universität Bochum

Bochum – Das Gas Wasserstoff gilt als möglicher zukünftiger Energieträger und lässt sich mit Platinkatalysatoren und Elektrizität aus Wasser herstellen. Wie Platin gibt es eine Reihe von Materialien, die in der Lage sind, die Reaktion von Wasser zu Wasserstoff zu katalysieren. „Dazu zählen auch Metall-Chalkogenide wie das Mineral Pentlandit, das ähnlich effizient ist wie Platin und darüber hinaus deutlich stabiler gegenüber Katalysatorgiften wie Schwefel ist“, erläutert Prof. Ulf-Peter Apfel von der RUB. Pentlandit besteht aus Eisen, Nickel und Schwefel. Seine Struktur ähnelt katalytischen Zentren von wasserstoffproduzierenden Enzymen, die unter anderem in Grünalgen vorkommen.

In der aktuellen Studie untersuchten die Forscher die Wasserstoffproduktionsraten an künstlich hergestellten kristallinen Oberflächen des Minerals Pentlandit in einem Flüssigkeitstropfen mit einem Durchmesser von wenigen Hundert Nanometern. Dazu nutzten sie die elektrochemische Rasterzellmikroskopie. So konnten sie aufklären, wie die Struktur und Zusammensetzung des Materials die elektrokatalytischen Eigenschaften des Eisen-Nickelsulfids beeinflussen.

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Schon kleinste Änderungen des Verhältnisses zwischen Eisen und Nickel durch Variation der Synthesebedingungen oder die Alterung des Materials veränderten die Aktivität bei der elektrochemischen Wasserstoffbildung erheblich. „Mit diesen Erkenntnissen können wir jetzt weiterarbeiten und Strategien entwickeln, um viele weitere robuste und billige Katalysatoren zu verbessern“, so Apfel.

Die Forscher zeigten außerdem, dass sich mit der elektrochemischen Rasterzellmikroskopie Informationen über Struktur, Zusammensetzung und elektrochemische Aktivität der Materialien ortsaufgelöst verknüpfen lassen. Die Methode macht es also möglich, Katalysatoren gezielt zu designen und so hochaktive Materialien herzustellen. „Diese Methode wird daher zukünftig eine wichtige Rolle bei der Suche nach elektrokatalytisch aktiven, heterogenen Katalysatoren spielen“, sagt Prof. Wolfgang Schuhmann von der RUB.

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