Forschende der Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Stephan Barcikowski, Prof. Dr. Stephan Schulz und Prof. Dr. Kai S. Exner haben ihre Ergebnisse zur Sauerstoffgasentwicklung an Cobaltoxid-basierten Katalysatoren in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie International Edition“ veröffentlicht. Die Arbeiten entstanden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB/TRR 247 „Heterogene Oxidationskatalyse in der Flüssigphase“.

Die elektrochemische Sauerstoffgasentwicklung (Oxygen Evolution Reaction, OER) zählt zu den zentralen Herausforderungen moderner Energiekonversionsprozesse. Sie ist die anodische Teilreaktion der Wasserelektrolyse und damit essenziell für die nachhaltige Produktion von Wasserstoff aus erneuerbaren Energien. Aufgrund der komplexen Mehr-Elektronen-Reaktion werden hierfür besonders aktive und stabile Katalysatoren benötigt, wobei Cobaltoxid-basierte Materialien als vielversprechende Kandidaten gelten.

Im Zentrum der publizierten Studie steht ein Perspektivwechsel: Während theoretische Methoden üblicherweise genutzt werden, um experimentelle Beobachtungen nachträglich zu erklären, wurde in dieser Arbeit der umgekehrte Ansatz verfolgt. Experimente dienten gezielt dazu, theoretische Vorhersagen und entwickelte Modelle zu validieren. Die Theorie dient damit nicht länger nur der Rationalisierung experimenteller Beobachtungen, sondern wird selbst zum Ausgangspunkt der Materialentwicklung.

(i)
Im AK Schulz wurde ein "bulk doping" der Übergangsmetalle an Cobaltoxid-Nanopartikel vorgenommen.(https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ma/d4ma00088a). Fazit ist hier, dass die Theorie die Effekte der unterschiedlichen Übergangsmetalle als Dotierstoffe zwar qualitativ richtig vorhersagt, hinsichtlich der quantitativen Aktivitätstrends aber an ihre Grenzen zu stoßen scheint.

(ii)
Im AK Barcikowski wurden Übergangsmetalle in Cobaltoxid-Nanopartikel mit der "PUDEL-Technik" hauptsächlich in die Oberfläche dotiert. Fazit ist hier, dass die Theorie der Effekte der unterschiedlichen Übergangsmetalle als Dotierstoffe zwar qualitativ richtig vorhersagt, aber auch hier hinsichtlich der quantitativen Aktivitätstrends an ihre Grenzen zu stoßen scheint.

(iii)
Die Erkenntnisse aus (i) und (ii) waren der Grund, weshalb AK Exner anstelle des konventionellen Vergleichs "erhöht Dotierstoff A die Aktivität von Co₃O₄ in der OER" stattdessen begann "promoting effects" zu diskutieren (d.h., die Anreicherung welchen Dotierstoffs an der Oberfläche hat den größten Effekt in Bezug auf die Aktivität). Die Modellierung legt nahe, dass Cr angereicht an der Oberfläche von Co₃O₄ die Aktivität in der OER am stärksten erhöht.

(iv)
Die theoretische Vorhersage wird vom AK Schulz bestätigt, da dieser Co3O4-basierte Nanopartikel mit einer Cr-reichen Oberfläche über eine hydrothermale Methode synthetisiert und charakterisiert.

AK Exner entwickelte damit neue Modellierungsstrategien für elektrochemische Systeme und liefert damit ein tieferes Verständnis katalytischer Prozesse an elektrochemischen Grenzflächen.Die entwickelten Modelle sind zudem weit über die untersuchten Cobaltoxid-basierten Systeme hinaus relevant: Sie eröffnen neue Möglichkeiten für das computergestützte Screening von Katalysatoren für die Energiekonversion – insbesondere in der Elektrokatalyse – und könnten so die gezielte Entwicklung leistungsfähiger Materialien künftig deutlich beschleunigen.

Link zur Publikation: https://doi.org/10.1002/anie.202524523