Die Verfügbarkeit von erneuerbaren Energien für die Wasserstofferzeugung schwankt – was die Untersuchung der Katalysatoren erschwert. (Bild: Pascal Armbruster, KIT)
Um Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten, braucht es Strom. Doch gerade die Verfügbarkeit der Energie aus erneuerbaren Quellen für die Erzeugung von grünem Wasserstoff schwankt. Daher ist es wichtig, das Verhalten der Katalysatoren unter hoher Auslastung und unter dynamischen Bedingungen zu kennen, betonen die Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) in ihrem Beitrag im Journal ACS Catalysis der American Chemical Society.
„Bei hohen Strömen gibt es eine starke Entwicklung von Sauerstoffblasen an der Anode, was die Messung erschwert und es bislang nahezu unmöglich machte, ein zuverlässiges Messsignal zu erhalten“, erläutert der Erstautor der Studie Dr. Steffen Czioska vom Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) des KIT. Die Kombination verschiedener Techniken ermöglichte es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern nun, die Oberfläche des Iridiumoxid-Katalysators unter dynamischen Arbeitsbedingungen grundlegend zu erforschen. „Es ist uns zum ersten Mal gelungen, das Verhalten des Katalysators auf atomarer Ebene trotz starker Blasenentwicklung zu untersuchen“, sagt Czioska.
Röntgenabsorptionsspektroskopie mit Synchrotronlicht genutzt
Im Einzelnen haben die Karlsruher Forschenden des ITCP, des Instituts für Katalyseforschung und des Instituts für Angewandte Materialien – Elektrochemische Technologien die für die Katalyse einzigartige Röntgenabsorptionsspektroskopie, die es erlaubt, Änderungen auf atomarer Ebene besonders präzise zu untersuchen, und weitere Analysemethoden kombiniert. „Wir konnten die regelmäßigen Abläufe an der Katalysatorenoberfläche während der Reaktion sehen, weil alles Unregelmäßige herausgefiltert wurde - ähnlich wie bei der Langzeitbelichtung einer nächtlichen Autostraße - und dennoch die dynamischen Vorgänge erkennen“, sagt Czioska. „Unsere Untersuchung zeigt, dass gerade bei sehr hohen Spannungen und unter dynamischen Bedingungen höchst unerwartete Strukturänderungen auftreten, die im Zusammenhang mit einer Stabilisierung des Katalysators stehen“, sagt der Chemiker. Das Iridiumoxid löse sich weniger auf, das Material bleibe stabil.
Ergebnisse sollen zu besseren, effizienteren Katalysatoren beitragen
Die Erforschung der Vorgänge an der Katalysatoroberfläche ebne den Weg für die weitere Untersuchung von Katalysatoren bei hohen elektrischen Potenzialen und könne dazu beitragen, verbesserte und effizientere Katalysatoren für die Anforderungen der Energiewende zu entwickeln, betont Czioska. Die Untersuchung ist Teil des Schwerpunktprogramms „Dynakat“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft, in dem deutschlandweit über 30 Forschungsgruppen zusammenarbeiten und vom KIT unter Federführung von Professor Jan-Dierk Grunwaldt vom ITCP koordiniert wird.
