Grüner Wasserstoff: Perowskit-Oxid-Katalysatoren im Röntgenstrahl
Schematische Ansicht der transformierten Schicht (hellgrau) auf dem LaNiO3 Perowskitfilm (grün), aufgewachsen auf einem Substrat (braun). Rechts ist die vergrößerte Seitenansicht der transformierten Oxyhydroxid-Schicht (mit Spindichte an den Ni-Plätzen) aus Simulationen dargestellt. © UDE/AG Pentcheva
Für die Herstellung von Grünem Wasserstoff sind Katalysatoren nötig, die den Prozess der Wasserspaltung in Sauerstoff und Wasserstoff steuern. Doch unter Spannung verändert sich die Struktur des Katalysators, was auch die katalytische Aktivität beeinflusst. Ein Forschungsteam aus den Universitäten in Duisburg-Essen und Twente hat u.a. an BESSY II untersucht, wie die Umwandlung von Oberflächen in Perowskit-Oxid-Katalysatoren die Aktivität der Sauerstoffentwicklungsreaktion steuert.
In einem klimaneutralen Energiesystem der Zukunft sorgen vor allem Sonne und Wind für die Bereitstellung von Strom. Ein Teil des „grünen“ Stroms kann für die elektrolytische Aufspaltung von Wasser genutzt werden, um „grünen“ Wasserstoff zu erzeugen. Wasserstoff ist ein effizienter Energiespeicher und ein wertvoller Rohstoff für die Industrie. Bei der Elektrolyse werden Katalysatoren eingesetzt, die die gewünschte Reaktion beschleunigen und den Prozess effizienter machen. Dabei werden für die Wasserstoff-Abscheidung andere Katalysatoren verwendet als für die Sauerstoff-Entwicklung, beide aber sind notwendig.
Perowskit-Oxid-Katalysatoren: preiswert und mit viel Potenzial
Eine interdisziplinäre und internationale Forschergruppe der Universität Essen-Duisburg, der Universität Twente, Forschungszentrum Jülich, sowie HZB hat nun die Klasse von Perowskit-Oxid-Katalysatoren für die Sauerstoff-Entwicklungs-Reaktion eingehend untersucht. Perowskit-Oxid-Katalysatoren sind in den letzten Jahren deutlich weiterentwickelt worden, sie sind preiswert und besitzen das Potenzial für weitere Steigerungen der katalytischen Effizienz. Allerdings zeigen sich binnen kurzer Zeit an den Oberflächen dieser Materialien Veränderungen, die die katalytische Wirkung mindern.
Spektroskopie an BESSY II
Daher hat die Gruppe nun insbesondere die Oberflächenstruktur eingehend untersucht und die experimentellen Daten mit Dichtefunktionalberechnungen abgeglichen. Das Team um den HZB-Forscher Dr. Marcel Risch führte dazu spektroskopische Analysen an der Röntgenquelle BESSY II durch. „Wir konnten feststellen, dass eine bestimmte Oberflächenfacette deutlich aktiver und gleichzeitig stabiler ist als andere. Durch die Röntgenanalyse können wir verstehen, wie man den traditionellen Kompromiss zwischen Aktivität und Stabilität überwinden kann“, sagt Risch. Die Ergebnisse zeigen auch, wie sich bestimmte Oberflächenfacetten umwandeln und wo sich beispielsweise Wasserstoffatome (bzw. Protonen) anlagern.
Diese Einblicke in Umwandlungsprozesse und strukturelle Umwandlungen und chemische Prozesse an den unterschiedlichen Facetten der untersuchten Proben sind wertvoll: Sie tragen dazu bei, gezielt und wissensbasiert Materialien als Elektrokatalysatoren zu designen. Denn Elektrokatalysatoren sind der Schlüssel für sehr viele Anwendungen in der grünen Chemie.
- Optische Innovationen für Solarmodule – Was bringt den Ausbau am meisten voran?Im Jahr 2023 erzeugten Photovoltaikanlagen weltweit mehr als 5% der elektrischen Energie und die installierte Leistung verdoppelt sich alle zwei bis drei Jahre. Optische Technologien können die Effizienz von Solarmodulen weiter steigern und neue Einsatzbereiche erschließen, etwa in Form von ästhetisch ansprechenden, farbigen Solarmodulen für Fassaden. Nun geben 27 Fachleute einen umfassenden Überblick über den Stand der Forschung und eine Einschätzung, welche Innovationen besonders zielführend sind. Der Bericht, der auch für Entscheidungsträger*innen in der Forschungsförderung interessant ist, wurde von Prof. Christiane Becker und Dr. Klaus Jäger aus dem HZB koordiniert.
- Katalyseforschung mit dem Röntgenmikroskop an BESSY IIAnders als in der Schule gelernt, verändern sich manche Katalysatoren doch während der Reaktion: So zum Beispiel können bestimmte Elektrokatalysatoren ihre Struktur und Zusammensetzung während der Reaktion verändern, wenn ein elektrisches Feld anliegt. An der Berliner Röntgenquelle BESSY II gibt es mit dem Röntgenmikroskop TXM ein weltweit einzigartiges Instrument, um solche Veränderungen im Detail zu untersuchen. Die Ergebnisse helfen bei der Entwicklung von innovativen Katalysatoren für die unterschiedlichsten Anwendungen. Ein Beispiel wurde neulich in Nature Materials publiziert. Dabei ging es um die Synthese von Ammoniak aus Abfallnitraten.
- BESSY II: Magnetische „Mikroblüten“ verstärken Magnetfelder im ZentrumEine blütenförmige Struktur aus einer Nickel-Eisen-Legierung, die nur wenige Mikrometer misst, kann Magnetfelder lokal verstärken. Der Effekt lässt sich durch die Geometrie und Anzahl der „Blütenblätter“ steuern. Das magnetische Metamaterial wurde von der Gruppe um Dr. Anna Palau am Institut de Ciencia de Materials de Barcelona (ICMAB) mit Partnern aus dem CHIST-ERA MetaMagIC-Projekts entwickelt und nun an BESSY II in Zusammenarbeit mit Dr. Sergio Valencia untersucht. Die Mikroblüten ermöglichen vielfältige Anwendungen: Sie können die Empfindlichkeit magnetischer Sensoren erhöhen, die Energie für die Erzeugung lokaler Magnetfelder reduzieren, und am PEEM-Messplatz an BESSY II die Messung von Proben unter deutlich höheren Magnetfeldern ermöglichen.