Wasserstoff ist eine viel diskutierte Option auf dem Weg zur CO₂-neutralen Energieerzeugung. Elektrizität aus erneuerbaren Quellen – vor allem Wind- und Sonnenenergie – wird in Elektrolyseuren genutzt, um Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und speicherbaren Wasserstoff zu zerlegen. Um diese Reaktion in Gang zu bringen, sind Katalysatoren unerlässlich. Bislang wurden Edelmetalloxide wie Rutheniumdioxid und Iridiumdioxid verwendet, die jedoch knapp und kostenintensiv sind und sich in saurem und alkalischem Milieu leicht zersetzen.
Dr. Dandan Gao, Nachwuchsgruppenleiterin und DFG-Walter-Benjamin-Stipendiatin an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), und ihr Team haben daher einen alternativen Katalysator entwickelt: Mit Kobalt und Wolfram besteht er aus leicht zugänglichen, kostengünstigen Materialien.
„Das Einzigartige ist: Während herkömmliche Katalysatoren ihre Leistung beibehalten – oder sogar etwas davon verlieren, weil sie nicht stabil genug sind –, steigert unser Katalysator seine Leistung mit der Zeit“, erklärt Dandan Gao. „Nach der Optimierung ist die Aktivität sogar höher als bei herkömmlichen Katalysatoren.“
Gründe für die Selbstoptimierung
Doch was ist der Grund für diese außergewöhnliche Selbstoptimierung? Um diese Frage zu beantworten, führten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowohl experimentelle als auch theoretische Untersuchungen durch. Sie fanden unter anderem heraus, dass sich die chemische Natur des katalysierenden Kobalt-Wolfram-Oxids durch die Wasserspaltung verändert: Während Kobalt zunächst vor allem als Co²⁺ vorlag, wandelte es sich zunehmend in Co³⁺ um, und auch bei Wolfram verschob sich das Verhältnis von W⁵⁺ zu W⁶⁺. „Bei der Spaltung von Wasserstoff laufen zwei Reaktionen ab: die Wasserstoffreaktion und die Sauerstoffreaktion. Die Sauerstoffreaktion ist der Engpass für die Gesamtreaktion, weshalb wir motiviert sind, einen fortschrittlichen Katalysator dafür zu entwickeln“, sagt Gao.
Während die Sauerstoffreaktion zunächst von der aktiven Wolframstelle angetrieben wird, verlagert sich diese mit der Zeit auf die aktive Kobaltstelle – die aktive Oberfläche des Katalysators vergrößert sich durch die Wasserspaltung ebenfalls. Auch bei der Hydrophilie der Oberfläche sind Veränderungen zu beobachten: Sie wird wasserliebender, was natürlich für die elektrochemische Wasserspaltung äußerst hilfreich ist.
„Insgesamt können wir deutlich reduzierte Überspannungen und erhöhte Stromdichten feststellen, begleitet von einer erheblichen Steigerung der Reaktionskinetik der Sauerstoffentwicklung“, fasst Gao zusammen.