Neue Einblicke in die Produktion von grünem Wasserstoff
Die Abteilung Interface Science des Fritz-Haber-Instituts hat bedeutende Fortschritte im Verständnis des kritischen Prozesses der Ionensolvation an reaktiven Grenzflächen gemacht, wie in ihrer neuesten Veröffentlichung „Ion Solvation Kinetics in Bipolar Membranes and at Electrolyte-Metal Interfaces" im renommierten Journal Nature Energy detailliert beschreiben.
Die Entdeckung wirft Licht auf einen Prozess, der weitverbreitet in der Bio- und Elektrochemie ist. Ionen müssen ihre Solvationshülle umorganisieren, wenn sie durch Ionenkanäle in Biomembranen wandern oder in Batteriekathoden interkaliert werden. Weiterhin findet der Prozess an der Oberfläche von jedem einzelnen Elektrokatalysator statt, wenn Ionen adsorbiert und in Chemikalien konvertiert werden. Insbesondere ist er essentiell für die Produktion von grünem Wasserstoff in alkalischen Elektrolyten und die neuen Einsichten bieten daher neue Perspektiven für Technologien der Energie- und Chemieumwandlung.
Zentral für diese Entdeckung ist das Verständnis darüber, wie Wassermoleküle dissoziieren und wie Ionen, wie Protonen und Hydroxide, solvatisiert werden. Die Forschung des Teams, durchgeführt an Bipolarmembranen und ausgewählten Elektrokatalysator-Grenzflächen, offenbart überraschende Erkenntnisse über die Beziehung zwischen elektrochemischer Vorspannung, Aktivierungsentropie und -energie.
Entgegen weitverbreiteten Annahmen in der Elektrochemie fand das Team heraus, dass eine Erhöhung des angelegten Potentials nicht primär die Aktivierungsenergie reduziert, sondern stattdessen die Aktivierungsentropie erhöht. „Das ist konträr zu dem was man in einem typischen Elektrochemiekurs lernt.“ sagt Carlos Gomez Rodellar, Erstautor und Doktorand in der Abteilung Interface Science. Diese Einsicht stellt die herkömmliche Weisheit in Frage und deutet darauf hin, dass dieselben grundlegenden physikalischen Prinzipien über verschiedene elektrochemische Grenzflächen hinweg gelten.
Dr. Sebastian Öner, Leiter der Interfacial Ionics Gruppe und korrespondierender Autor der Studie, betont die Bedeutung dieser Erkenntnisse nicht nur für die Elektrokatalyse und Bipolarmembranen, sondern auch für Anwendungen in der Bio- und Thermalkatalyse. „Unsere Ergebnisse implizieren, dass lokale Überschussladungen und elektrische Felder direkt die Entropie des Übergangszustands verändern. Diese Entdeckung ermöglicht es uns und der Gemeinschaft, neue Wissenschaft und Technologie zu erforschen.", sagt Dr. Öner.
Die Forschung hebt die Wichtigkeit des lokalen Umfelds von Katalysatoren hervor, indem gezeigt wird, wie die feste Struktur und der flüssige Elektrolyt eng miteinander verbunden sind und sich gegenseitig beeinflussen können. Dieses umfassende Verständnis ist entscheidend für die Entwicklung von Katalysatoren mit verbesserter Aktivität, Selektivität und Stabilität.
Die Abteilung Interface Science, unter der Leitung von Prof. Dr. Beatriz Roldán Cuenya, ist bestrebt, diese Einblicke weiter zu erforschen, mit dem Potenzial, die Bereiche der Energie- und Chemieumwandlungstechnologie signifikant zu beeinflussen.
