Bei der Wasserstoffproduktion in einer elektrokatalytischen Zelle wird molekularer Wasserstoff an der Kathode erzeugt, während die Anode molekularen Sauerstoff (O₂) produziert. Die O₂-Produktion an der Anode ist ein komplexer mehrstufiger Prozess, was es schwierig macht, energieeffiziente Anoden zu entwerfen. Aus diesem Grunde konzentriert sich ein Großteil der Forschung zur Wasserspaltung auf die Anode und nicht auf die Kathode. In realen Elektrolyseuren besitzen Anoden komplexe chemische Zusammensetzungen und Strukturen, was problematisch für ein grundlegendes Verständnis der Elektrolyseprozesse ist. Relevante Information ist in den Messdaten schwer zu isolieren. Um dieses Problem anzugehen, haben Wissenschaftler:innen der Abteilung Interface Science am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (FHI) einen experimentellen Ansatz entwickelt, bei dem sie die komplexe Anode durch ein einfacheres Modellsystem ersetzen.

In diesem Ansatz handelt es sich bei der Modellanode um einen wohldefinierten kristallinen dünnen Oxidfilm, was kontrollierte Variationen seiner ursprünglichen Zusammensetzung und Struktur ermöglicht. Um höchstmögliche Reinheit sicherzustellen, stellen die Forscher:innen die Anoden unter Ultrahochvakuum-Bedingungen her. Zudem vermeiden sie bei allen nachfolgenden Studien, die Proben der Umgebungsluft auszusetzen. Diese strikte Methodik schützt die Anode vor Kontamination und daraus resultierende problematische Auswirkungen auf die Qualität der experimentellen Daten. Die genaue Kenntnis der Anodeneigenschaften bis hin zur atomaren Struktur ist ein zentraler Aspekt des Ansatzes. Der Schwerpunkt liegt darauf, zentrale Aspekte der Wasserspaltungskatalyse zu untersuchen, einschließlich mechanistischer mikroskopischer Details der O₂-Bildungsreaktion, der aktiven Zentren, der Elektrodenalterung und dem Einfluss der Struktur und Zusammensetzung der Anode auf die Leistung des Elektrolyseurs.

Unter den Fragestellungen, die die Forscher:innen interessieren, geht es darum, wie die optimale Struktur, Dicke und Zusammensetzung der Oxyhydroxidschicht auf der Anodenoberfläche aussehen sollte. Außerdem die Frage, warum die Zugabe von Eisen zu Kobaltoxid-Anoden deren Leistung signifikant verbessert.

Kosten der Wasserstoffproduktion senken

Die Studie zielt auf die Erzielung von Erkenntnissen, welche helfen, die Kosten für die Herstellung und den Betrieb von Elektrolyseuren zu minimieren. Denn die Kostensenkung durch die Umstellung auf alkalische Reaktionsbedingungen und die Verwendung von leicht verfügbaren preisgünstigen Materialien sind von entscheidender Bedeutung für die Verbreitung einer auf H₂ basierenden Energieökonomie. Die derzeitige Elektrolysetechnologie verwendet teure Metalle wie Iridium und Platin für die energieeffiziente Elektrolyse. Der Ersatz dieser teuren Metalle durch die kostengünstigeren Kobalt- und Eisenoxide würde die Gesamtkosten der Wasserspaltung senken und die wirtschaftliche Attraktivität dieses Prozesses erhöhen.

4.9.2023 | Quelle: FHI | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH