Neue Studie enthüllt, wie Eisen die Katalysatoren für die grüne Wasserstoffproduktion verbessert
In einem wichtigen Schritt hin zu nachhaltigen Energielösungen zeigt eine kürzlich in Energy & Environmental Science veröffentlichte Studie einen Fortschritt im Bereich der grünen Wasserstoffproduktion. Unter der Leitung von Forscher*innen der Abteilung Interface Science am Fritz-haber-Institut (FHI) zeigt die Studie mit dem Titel „Role of Fe decoration on the oxygen evolving state of Co3O4 nanocatalysts ", wie die Zugabe von Eisen (Fe) zu Kobaltoxid (Co3O4) Nanokatalysatoren deren Effizienz und Stabilität in Wasser-Elektrolyseprozessen verbessert.
Die Wasserelektrolyse, ein entscheidender Prozess bei der Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie, steht im Mittelpunkt der grünen Wasserstoffproduktion. Die Studie konzentriert sich auf die Verbesserung der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER), einer wesentlichen Halbreaktion in der Wasserelektrolyse, durch die Optimierung von Elektrodenmaterialien. Traditionell abhängig von teuren Edelmetallen, verlagert die Forschung den Fokus auf reichlicher vorhandene und kostengünstigere Übergangsmetalloxide wie Kobalt- und Nickeloxide. Das bessere Verständnis darüber, wie die Zugabe von Eisen zu diesen Elektrokatalysatoren deren katalytische Aktivität steigert, markiert einen entscheidenden Fortschritt.
Trotz der bekannten Vorteile der Eisenzugabe blieben die genauen Mechanismen auf atomarer Ebene bisher unklar. Die gemeinsame Forschungsarbeit, an der Expert*innen vom Fritz-Haber-Institut und der Universität Duisburg-Essen beteiligt waren, nutzte fortschrittliche Elektronenmikroskopie und Operando-Spektroskopie-Methoden, um Licht auf diese Mechanismen zu werfen. Die Studie zeigt, dass Eisen nicht nur an der elektrokatalytischen Reaktion teilnimmt, sondern auch eine vorteilhafte Unordnung in der nahegelegenen Oberflächenregion der Kobaltoxid-Nanopartikel induziert und so deren katalytische Aktivität erhöht.
Prof. Dr. Beatriz Roldán Cuenya, Direktorin der Abteilung Interface Science am FHI, betont die Bedeutung des Verständnisses der arbeitenden Elektrokatalysatoren unter tatsächlichen Reaktionsbedingungen. Die umfassende Analyse, die in Synchrotronstrahlungsquellen, einschließlich Bessy II in Berlin und der Europäischen Synchrotronstrahlungquelle (ESRF) in Grenoble, durchgeführt wurde, war entscheidend für die Identifizierung von Schlüsselprinzipien für die nächste Generation von Elektrodenmaterialien.
Dr. Arno Bergmann, Gruppenleiter in der Abteilung Interface Science, hebt die breiteren Implikationen der Ergebnisse hervor und deutet darauf hin, dass die identifizierten Defektstellen und Konzepte auf andere Materialien, die in der alkalischen Wasserelektrolyse verwendet werden, ausgeweitet werden könnten. Diese Studie erweitert nicht nur unser Verständnis von Kobaltoxidsystemen, sondern trägt auch zu einer einheitlichen Theorie der Wasserelektrolyse bei und ebnet den Weg für eine effizientere und nachhaltigere grüne Wasserstoffproduktion.
Während die Welt auf eine kohlenstoffneutrale Zukunft zusteuert, werden die Erkenntnisse aus dieser Studie voraussichtlich eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung innovativer Elektrodenmaterialien spielen. Diese Fortschritte werden dazu beitragen, aktuelle Einschränkungen zu überwinden und uns der gesellschaftlichen und industriellen Transformation, die für eine nachhaltige Zukunft erforderlich ist, näher zu bringen.
