(Karlsruhe) – Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forschende die Prozesse an der Oberfläche des Iridiumoxid-Katalysators für die Wasserelektrolyse untersucht. Da die Verfügbarkeit von Strom aus erneuerbaren Quellen schwankt, sei es laut KIT „sehr wichtig, das Verhalten der Katalysatoren unter hoher Auslastung und unter dynamischen Bedingungen zu kennen“.
Messungen durch Sauerstoffblasen erschwert
„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 Steffen Czioska vom Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) des KIT. Die Kombination verschiedener Techniken ermöglichte es den Wissenschaftlern nun, die Oberfläche des Iridiumoxid-Katalysators unter dynamischen Arbeitsbedingungen grundlegend zu erforschen, heißt es in einer Mitteilung. „Es ist uns zum ersten Mal gelungen, das Verhalten des Katalysators auf atomarer Ebene trotz starker Blasenentwicklung zu untersuchen“, sagt Czioska.
Die Forscher des ITCP, des Instituts für Katalyseforschung und des Instituts für Angewandte Materialien haben die Röntgenabsorptionsspektroskopie, die es erlaubt, Änderungen auf atomarer Ebene besonders präzise zu untersuchen, und weitere Analysemethoden kombiniert. Man habe auf diese Weise die regelmäßigen Abläufe an der Katalysatorenoberfläche während der Reaktion sehen und die dynamischen Vorgänge erkennen können, weil alles Unregelmäßige herausgefiltert wurde – „ähnlich wie bei der Langzeitbelichtung einer nächtlichen Straße“, sagt Czioska. Die Untersuchungen hätten gezeigt, „dass gerade bei sehr hohen Spannungen und unter dynamischen Bedingungen höchst unerwartete Strukturänderungen auftreten, die im Zusammenhang mit einer Stabilisierung des Katalysators stehen“. Das Iridiumoxid löse sich weniger auf, das Material bleibe stabil.
Auf dem Weg zu effizienteren Katalysatoren
Die Erforschung der Vorgänge ebne den Weg für die weitere Untersuchung von Katalysatoren bei hohen elektrischen Potenzialen und trügen dazu bei, „verbesserte und effizientere Katalysatoren zu entwickeln“. Die Untersuchung ist Teil des Schwerpunktprogramms „Dynakat“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft, in dem deutschlandweit über 30 Forschungsgruppen zusammenarbeiten und vom KIT unter Federführung von Jan-Dierk Grunwaldt vom ITCP koordiniert wird.
Der Forschungsbeitrag zur Entwicklung verbesserter und effizienterer Katalysatoren wurde von der American Chemical Society mit dem ACS Editor‘s Choice ausgezeichnet hat.
Steffen Czioska, Alexey Boubnov, Daniel Escalera-López, Janis Geppert, Alexandra Zagalskaya, Philipp Röse, Erisa Saraçi, Vitaly Alexandrov, Ulrike Krewer, Serhiy Cherevko, Jan-Dierk Grunwaldt: Increased Ir-Ir interaction in iridium oxide during the oxygen evolution reaction at high potentials probed by operando spectroscopy. ACS Catalysis, 2021. DOI: 10.1021/acscatal.1c02074
Deep Link
https://www.kit.edu/kit/pi_2021_077_gruner-wasserstoff-katalysatorenoberflache-im-blick.php
Die Publikation gibt es als Download (30 Seiten) auf Englisch unter
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscatal.1c02074
Grafik
Grüner Wasserstoff gilt als Schlüsselelement der Energiewende / © KIT / Pascal Armbruster
