In einer aktuellen Veröffentlichung in Nature Catalysis berichtet ein internationales Forschungsteam über neue Einblicke in einen elementaren Schritt der elektrochemischen Wasserstoffentwicklung. An den theoretischen Untersuchungen waren Dr. Ebrahim Tayyebi und Prof. Dr. Kai S. Exner vom Arbeitskreis "Theoretical Catalysis and Electrochemistry" der Universität Duisburg-Essen beteiligt.

Im Mittelpunkt der Arbeit steht der sogenannte Volmer-Schritt, bei dem Wasser an der Elektrodenoberfläche gespalten und Wasserstoff an der Oberfläche adsorbiert wird. Mithilfe der neu entwickelten bildgebenden Methode "DELINE" (domino-reaction-enabled label-free imaging for nanoscopic electrocatalysis) konnten einzelne Reaktionsereignisse auf Gold-Nanopartikeln unter Operando-Bedingungen räumlich aufgelöst werden. Dabei zeigte sich eine überraschend starke Heterogenität der Volmer-Übergangszustände – sowohl zwischen verschiedenen Partikeln als auch innerhalb einzelner Nanopartikel.

Besonders bemerkenswert ist eine starke Kopplung zwischen dem Ladungsübertragungskoeffizienten und der Austauschgeschwindigkeit der Reaktion. Dabei zeigte sich, dass spätere Volmer-Übergangszustände systematisch mit einer niedrigeren Austauschgeschwindigkeit verbunden sind. Dieses Kompensationsverhalten erinnert an die aus der Festkörperphysik bekannte Meyer-Neldel-Regel und weist auf ein bislang wenig beachtetes kinetisches Prinzip in der Elektrokatalyse hin.

Die im Arbeitskreis Exner an der UDE durchgeführten Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen tragen zur mechanistischen Interpretation der experimentellen Beobachtungen bei. Sie zeigen, dass die ausgeprägte Heterogenität nicht allein durch unterschiedliche Bindungsstärken von adsorbiertem Wasserstoff und Hydroxid an verschiedenen Stellen der Goldoberfläche erklärt werden kann. Gemeinsam mit den experimentellen Ergebnissen und molekulardynamischen Simulationen rückt damit die lokale Struktur des Elektrolyten an der Grenzfläche als entscheidender Faktor in den Fokus.

Die Studie verbindet hochaufgelöste Experimente mit atomistischer Theorie und trägt dazu bei, die Lücke zwischen experimenteller Beobachtung und theoretischer Beschreibung in der Elektrokatalyse weiter zu schließen.

Hier geht es zum kompletten Artikel: DOI 10.1038/s41929-026-01599-4