Iri­di­um­oxid-Kata­ly­sa­tor für die Wasser-Elektrolyse

Grü­ner Was­ser­stoff gilt als umwelt­freund­li­cher che­mi­scher Ener­gie­spei­cher und damit als wesent­li­ches Ele­ment der Dekar­bo­ni­sie­rung von Bran­chen wie der Stahl- und Che­mie­in­dus­trie. Die 2020 vom Bun­des­ka­bi­nett beschlos­se­ne Natio­na­le Was­ser­stoff­stra­te­gie sieht in der ver­läss­li­chen, bezahl­ba­ren und nach­hal­ti­gen Erzeu­gung von Was­ser­stoff die Basis für des­sen zukünf­ti­ge Ver­wen­dung. Was­ser­stoff, der mit Strom aus erneu­er­ba­ren Ener­gien her­ge­stellt wird, gilt als Schlüs­sel­ele­ment der Ener­gie­wen­de: Er kann aus Wind und Son­ne gewon­ne­ne Ener­gie CO₂-neu­tral che­misch spei­chern. Am Karls­ru­her Insti­tut für Tech­no­lo­gie (KIT) haben For­schen­de die Pro­zes­se an der Ober­flä­che des Iri­di­um­oxid-Kata­ly­sa­tors für die Was­ser-Elek­tro­ly­se unter­sucht. Ihren For­schungs­bei­trag zur Ent­wick­lung ver­bes­ser­ter und effi­zi­en­te­rer Kata­ly­sa­to­ren stel­len sie im Jour­nal ACS Cata­ly­sis der Ame­ri­can Che­mi­cal Socie­ty vor.
 
Ener­gie aus Solar­mo­du­len und Wind­rä­dern ermög­licht es, Was­ser durch Elek­tro­ly­se ohne schäd­li­che Emis­sio­nen in sei­ne Bestand­tei­le Was­ser­stoff und Sauer­stoff zu spal­ten. Da die Ver­füg­bar­keit der Ener­gie aus erneu­er­ba­ren Quel­len für die Erzeu­gung des grü­nen – das heißt CO₂-neu­tral erzeug­ten – Was­ser­stoffs schwankt, sei es sehr wich­tig, das Ver­hal­ten der Kata­ly­sa­to­ren unter hoher Aus­las­tung und unter dyna­mi­schen Bedin­gun­gen zu ken­nen, so die Ver­fas­ser der Stu­die. „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. Die Ame­ri­can Che­mi­cal Socie­ty (ACS) wer­tet die Bedeu­tung der Ver­öf­fent­li­chung aus dem KIT für die inter­na­tio­na­le Wis­sen­schafts­ge­mein­schaft so hoch, dass sie sie mit dem ACS Editor‘s Choice aus­ge­zeich­net hat.
 
Rönt­gen­ab­sorp­ti­ons­spek­tro­sko­pie mit Synchrotronlicht
Die Karls­ru­her For­schen­den des ITCP, des Insti­tuts für Kata­ly­se­for­schung und des Insti­tuts für Ange­wand­te Mate­ria­li­en –  Elek­tro­che­mi­sche Tech­no­lo­gien haben 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.