Grüner Wasserstoff: Perowskit-Oxid-Katalysatoren im Röntgenstrahl

Schematische Ansicht der transformierten Schicht (hellgrau) auf dem LaNiO<sub>3</sub> Perowskitfilm (gr&uuml;n), aufgewachsen auf einem Substrat (braun). Rechts ist die vergr&ouml;&szlig;erte Seitenansicht der transformierten Oxyhydroxid-Schicht (mit Spindichte an den Ni-Pl&auml;tzen) aus Simulationen dargestellt.

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.

arö

  • Link kopieren

Das könnte Sie auch interessieren

  • Elegantes Verfahren zum Auslesen von Einzelspins über Photospannung
    Science Highlight
    14.04.2025
    Elegantes Verfahren zum Auslesen von Einzelspins über Photospannung
    Diamanten mit spezifischen Defekten können als hochempfindliche Sensoren oder Qubits für Quantencomputer genutzt werden. Die Quanteninformation wird dabei im Elektronenspin-Zustand der Defekte gespeichert. Allerdings müssen die Spin-Zustände bislang optisch ausgelesen werden, was extrem aufwändig ist. Nun hat ein Team am HZB eine elegantere Methode entwickelt, um die Quanteninformation über eine Photospannung auszulesen. Dies könnte ein deutlich kompakteres Design von Quantensensoren ermöglichen.
  • Solarzellen auf Mondglas für eine zukünftige Basis auf dem Mond
    Science Highlight
    07.04.2025
    Solarzellen auf Mondglas für eine zukünftige Basis auf dem Mond
    Zukünftige Mondsiedlungen werden Energie benötigen, die Photovoltaik liefern könnte. Material in den Weltraum zu bringen, ist jedoch teuer – ein Kilogramm zum Mond zu transportieren, kostet eine Million Euro. Doch auch auf dem Mond gibt es Ressourcen, die sich nutzen lassen. Ein Forschungsteam um Dr. Felix Lang, Universität Potsdam, und Dr. Stefan Linke, Technische Universität Berlin, haben nun das benötigte Glas aus „Mondstaub“ (Regolith) hergestellt und mit Perowskit beschichtet. Damit ließe sich bis zu 99 Prozent des Gewichts einsparen, um auf dem Mond PV-Module zu produzieren. Die Strahlenhärte konnte das Team am Protonenbeschleuniger des HZB getestet.
  • Beschleunigerphysik: Erster Elektronenstrahl im SEALab
    Nachricht
    03.04.2025
    Beschleunigerphysik: Erster Elektronenstrahl im SEALab
    Weltweit zum ersten Mal hat das SEALab-Team am HZB in einem supraleitenden Hochfrequenzbeschleuniger (SRF Photoinjektor) einen Elektronenstrahl aus einer Multi-Alkali-Photokathode (Na-K-Sb) erzeugt und auf relativistische Energien beschleunigt. Dies ist ein echter Durchbruch und eröffnet neue Optionen für die Beschleunigerphysik.