Elektrokatalysatoren optimieren
© UDE/AG Pentcheva

Elektrokatalysatoren gezielt optimieren

Der Weg zum nachhaltigen Wasserstoff

Keine nachhaltige Energie ohne Elektrokatalysatoren: Geht es um die Herstellung von Grünem Wasserstoff, braucht es Katalysatoren, die den Prozess der Wasserspaltung in Sauerstoff und Wasserstoff steuern. Doch unter angelegter Spannung verändert sich die Struktur des Katalysators, was auch die katalytische Aktivität entscheidend beeinflusst. Dieses Phänomen ist wenig erforscht und verstanden – bisher. Denn ein Forschungsteam unter der Leitung der Universität Duisburg-Essen und der Universität Twente hat die kristallfacettenabhängige Oberflächenumwandlung erforscht und wie diese die Aktivität der Sauerstoffentwicklungsreaktion steuert. Ihre Ergebnisse veröffentlichen sie nun in Nature Communications.

Katalysatoren gezielt optimieren, indem Nanopartikel mit einer bestimmten Oberflächenorientierung hergestellt werden – und damit kostengünstigen und umweltfreundlichen Wasserstoff herstellen. Dem Ziel sind Forschende der UDE, der Universität Twente, des Forschungszentrums Jülich und des Helmholtz Zentrums Berlin für Materialien und Energie nun ein gutes Stück nähergekommen. Sie untersuchten die komplementäre Halbreaktion, die parallel bei der Herstellung von Grünem Wasserstoff abläuft – die Entstehung von Sauerstoff. Diese Teilreaktion ist komplexer und erfordert hocheffiziente, kostengünstige und umweltfreundliche Anodenmaterialien. Doch hierbei wandelt sich oft die Struktur der Katalysators – ein Prozess, der bisher wenig verstanden ist.

Die Wissenschaftler:innen konnten nun erstmals nachweisen, dass diese Transformation auf die Orientierung der Oberfläche des Katalysators zurückzuführen ist und die Sauerstoffentwicklungsreaktion (Oxygen Evolution Reaction; OER) beeinflusst. Denn eine höhere OER-Aktivität bedeutet, dass der Katalysator effektiver Sauerstoff erzeugen kann, was wiederum die Effizienz und Nachhaltigkeit des Wasserstoffherstellungsprozesses verbessert.

Für ihre Studie verwendeten die Wissenschaftler:innen Lanthan Nickel Oxid-Filme (LaNiO3) – ein kristallines Material der Klasse der „Perowskite“, das bei der Elektrokatalyse eingesetzt wird. Die Forschenden stellten fest, dass sich während der Reaktion die obersten Schichten transformieren und unterschiedliche OER Aktivität aufweisen. Dabei verbinden sich die oktaederförmigen Bausteine nun über die Kanten statt über die Ecken. Diese Oxyhydroxid-Struktur wurde mittels quantenmechanischer Simulationen auf verschiedenen Perowskit-Oberflächen von Achim Füngerlings in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Rossitza Pentcheva auf dem Hochleistungsrechner der UDE (magnitUDE) modelliert. „Die Ergebnisse zeigen, dass für die Facette mit der höchsten Aktivität die transformierte Schicht viel besser auf den darunterliegenden Perowskit passt“, so Füngerlings.

„Dies beeinflusst wesentlich die elektronischen und magnetischen Eigenschaften und erklärt die bessere OER-Aktivität“, erklärt Pentcheva. „Die enge Verzahnung von Experiment und Simulationen war entscheidend, um die zugrundeliegenden Mechanismen und Eigenschaften der Oberflächentransformation aufzuklären.“ Die Erkenntnisse aus der Studie sind wichtig für die gezielte Optimierung von Katalysatoren, indem künftig Nanopartikel mit einer bestimmten Oberflächenorientierung hergestellt werden.

Im Bild:
Links ist eine schematische Seitenansicht der transformierten Schicht (hellgrau) auf dem LaNiO3 Perowskitfilm (grün) zusehen -  aufgewachsen auf einem Substrat (braun). Auf der rechten Seite ist die vergrößerte Seitenansicht der transformierten Oxyhydroxid- Schicht (mit Spindichte an den Ni-Plätzen) aus den DFT/quantenmechanischen Simulationen.

Weitere Informationen:
Crystal-facet-dependent surface transformation dictates the oxygen evolution reaction activity in lanthanum nickelate; DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-023-43901-z

Prof. Dr. Rossitza Pentcheva, Theoretische Physik, Tel. 0203/379-2238, rossitza.pentcheva@uni-duisburg-essen.de

Redaktion: Jennifer Meina, Tel. 0203/379-1205, jennifer.meina@uni-due.de

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