Die Sauerstoffentwicklungsreaktion an der Anode gilt als limitierender Faktor bei der Wasserelektrolyse. Für eine effizientere Produktion von grünem Wasserstoff forschen deswegen viele Wissenschaftler an leistungsfähigeren Katalysatoren. Ein Team um Dr. Prashant Menezes hat nun am Helmholtz-Zentrum Berlin Ba₈Ni₆Ge₄₀-Clathrate als Katalysatoren untersucht.
Clathrate sind kristalline Verbindungen mit einer besonderen käfigartigen Struktur. Sie bestehen aus einer dreidimensionalen Gitterstruktur (dem „Wirtsgitter”), die Hohlräume oder „Käfige” bildet, in denen sie andere Atome oder Moleküle (die „Gäste”) einschließen. Bei den untersuchten Ba₈Ni₆Ge₄₀-Clathraten, die an der TU München hergestellt wurden, besteht das Wirtsgitter aus Germanium und Nickel, während Barium als Gastelement fungiert. Diese komplexe Struktur verleiht Clathraten besondere Eigenschaften.
Transformation zur maximalen Katalysatorleistung
Elektrochemische Messungen zeigten: Der Clathrat-Katalysator übertrifft die Effizienz von herkömmlichen Nickeloxid-Katalysatoren bei einer industrierelevanten Stromdichte von 550 mA/cm². Selbst nach zehn Tagen Dauerbetrieb blieb die katalytische Aktivität nahezu unverändert.
Messungen an der Synchrotronquelle BESSY II mit in-situ-Röntgenabsorptionsspektroskopie lieferten die Erklärung für die herausragende Leistung. Die Clathrat-Partikel durchlaufen unter elektrischem Feld im wässrigen Elektrolyten eine strukturelle Umwandlung.
„Die Germanium- und Barium-Atome machen fast 90 Prozent des anfänglichen Materials aus und werden komplett ausgewaschen. Zurück bleiben hochporöse, schwammartige Nanoschichten aus den verbleibenden 10 Prozent Nickel, die eine maximale Oberfläche bieten”, erklärt Dr. Niklas Hausmann aus dem Forschungsteam.
Neue Materialklasse für die Katalysatorentwicklung entdeckt
Durch die Transformation entstehen ultradünne Nanoblätter, die maximalen Kontakt zwischen den aktiven Nickel-Katalysezentren und dem Elektrolyten ermöglichen. Diese strukturelle Veränderung ist der Schlüssel zur hohen Effizienz.
„Wir gehen davon aus, dass wir solche Ergebnisse auch an anderen Übergangsmetall-Clathraten beobachten können und dass wir mit den Clathraten eine sehr interessante Materialklasse für Elektrokatalysatoren entdeckt haben”, sagt Menezes.
Die Studie wurde in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie” veröffentlicht. Die Ergebnisse könnten den Weg für eine effizientere Produktion von grünem Wasserstoff ebnen, der als klimaneutraler Energieträger eine Schlüsselrolle im zukünftigen Energiesystem spielen soll.
