Der Mechanismus von Cobalt-Mangan-Katalysatoren wurde entschlüsselt
Herkömmliche Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion sind teuer, da sie Edelmetalle enthalten, doch günstigere Alternativen wie Cobalt-Mangan-Katalysatoren zeigen hohe Aktivität und Stabilität. Forschende haben nun den Mechanismus entdeckt, der den Mangan-Anteil als entscheidend für die Stabilität identifiziert. Das Mangan löst sich während der Elektrolyse aus der Cobalt-Spinell-Oberfläche und kehrt wieder zurück, vergleichbar mit einem Passagier, der ein- und aussteigt. Diese Ergebnisse wurden durch den Einsatz verschiedener Analyseverfahren gewonnen.
Biao He bereitet eine Probe für die Atomsondentomografie vor. Diese Methode kann verwendet werden, um die räumliche Verteilung in der Oberfläche eines Elektrokatalysators Atom für Atom sichtbar zu machen.
Foto: RUB / Kramer
Traditionelle Katalysatoren, die für die Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse eingesetzt werden, basieren in der Regel auf Edelmetallen, was sie kostspielig macht. Inzwischen sind jedoch günstigere Alternativen wie Cobalt-Mangan-Katalysatoren bekannt. Diese weisen nicht nur eine hohe Aktivität auf, sondern sie sind auch langfristig stabil. Entscheidend für diese Stabilität ist der Mangan-Anteil in den Katalysatoren. Warum genau Mangan diese stabilisierende Wirkung hat, blieb jedoch lange unklar. Forscherinnen und Forscher der Ruhr-Universität Bochum, der Max-Planck-Institute für Nachhaltige Materialien und für Chemische Energiekonversion, des Forschungszentrums Jülich und der Universität Duisburg-Essen haben diesen Mechanismus nun entschlüsselt.
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Kombination der Analysemethoden führte zum Erfolg
Die Kombination mehrerer Analysemethoden stellte sich dabei als entscheidend für den Durchbruch heraus. Bei der Elektrolyse von Wasser wird Wasser durch das Anlegen einer elektrischen Spannung in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Der limitierende Schritt bei dieser Reaktion ist die Sauerstoffentwicklung, weshalb die Suche nach den optimalen Katalysatoren für diesen Prozess von besonderem Interesse ist. Cobalt-Elektrokatalysatoren, die eine spezielle geometrische Struktur aufweisen, die sogenannte Spinell-Struktur, sind dabei normalerweise weder besonders effizient noch stabil über längere Zeiträume. Dieser Umstand ändert sich jedoch deutlich, wenn Mangan als Bestandteil der Katalysatoren hinzugefügt wird.
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Detailliertes Bild der Oberflächenprozesse erhalten
Das Forschungsteam untersuchte in Zusammenarbeit mit dem Sonderforschungsbereich 247 „Heterogeneous Oxidation Catalysis in the Liquid Phase“ die genauen Vorgänge, die an der Oberfläche der Katalysatoren während der Elektrolyse von Wasser stattfinden. Prof. Dr. Tong Li, Leiterin der Atomic-Scale Characterisation an der Ruhr-Universität Bochum, betonte, dass der Zusammenschluss der beteiligten Institute es ermöglicht habe, die Prozesse an der Elektrodenoberfläche mit verschiedenen Methoden zu untersuchen. Diese methodische Kombination sei der Schlüssel zum Erfolg gewesen. Li ist Expertin auf dem Gebiet der Atomsondentomografie, einer Technik, die es erlaubt, die räumliche Verteilung von Materialien Atom für Atom sichtbar zu machen. Diese Methode wurde mit der Transmissionselektronenmikroskopie, einer speziellen Form der Röntgenabsorptionsspektroskopie (x-ray fine structure absorption) sowie der Röntgenphotoelektronenspektroskopie kombiniert, um ein detailliertes Bild der Oberflächenprozesse zu erhalten.
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Förderung
Die Forschenden stellten fest, dass sich das Mangan während der Elektrolyse aus der Cobalt-Spinell-Oberfläche herauslöst und sich anschließend wieder an diese anlagert. Dieser Vorgang ähnelt laut Tong Li dem Verhalten eines Passagiers in einem Bus, der immer wieder ein- und aussteigt. Diese dynamische Bewegung des Mangan-Atoms trägt entscheidend zur Stabilität und Effizienz des Katalysators bei.
Die Forschungsarbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Sonderforschungsbereichs/Transregios 247 (Projektnummer 388390466) sowie durch das Exzellenzcluster „Ruhr Explores Solvation“ (RESOLV, EXC 2033–390677874) finanziell unterstützt. Zusätzlich erhielten sie Fördermittel durch das Max Planck Fellowship Programme.
