Bislang kommen für die Elektrolyse hauptsächlich Katalysatoren aus Ruthenium- und Iridiumdioxid zum Einsatz. Diese sind aufgrund ihrer Seltenheit jedoch kostspielig. Zudem neigen sie unter den Reaktionsbedingungen zu starker Degradation.
Dr. Dandan Gao, Nachwuchsgruppenleiterin und DFG-Walter-Benjamin-Stipendiatin an der JGU, hat mit ihrem Team daher einen alternativen Katalysator entwickelt. Mit Kobalt und Wolfram besteht er aus leicht zugänglichen, kostengünstigen Materialien. „Das Einzigartige ist: Während herkömmliche Katalysatoren ihre Leistung beibehalten – oder sogar etwas davon verlieren, weil sie nicht stabil genug sind –, steigert unser Katalysator seine Leistung mit der Zeit“, erklärt Gao.
Nach der Optimierung sei die Aktivität sogar höher als bei herkömmlichen Katalysatoren. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht.
Selbstoptimierende Katalysatoren
Die Messungen zeigten, dass die für die Reaktion benötigte Überspannung von anfänglich 500 mV auf 363 mV sinke. Zugleich steige die Stromdichte deutlich an – ein Indiz dafür, dass die Wasserstoffproduktion mit zunehmender Betriebsdauer effizienter wird.
Nach theoretischen und experimentellen Untersuchungen konnte das Forschungsteam den Mechanismus der ungewöhnlichen Selbstoptimierung aufklären. Demnach vergrößert sich die aktive Oberfläche des Katalysators während der Reaktion erheblich. Gleichzeitig wird die Oberfläche hydrophiler, was den Kontakt mit dem Elektrolyten verbessert. Auch die elektrische Leitfähigkeit nimmt deutlich zu. Zusätzlich verändert sich die chemische Struktur, wobei Kobalt und Wolfram in höhere Oxidationszustände übergehen.
„Bei der Wasserspaltung laufen zwei Teilreaktionen ab: die Wasserstoff- und die Sauerstoffreaktion. Die Sauerstoffreaktion ist der begrenzende Faktor für die Gesamteffizienz”, erläutert Dr. Gao. Durch computergestützte Simulationen konnte das Team zeigen, dass sich während des Betriebs die aktiven Zentren von den Wolfram- zu den Kobaltatomen verlagern, was die katalytische Aktivität deutlich verbessert.
Einfache Herstellung und Langzeitstabilität
Der Katalysator wird durch ein relativ unkompliziertes nasschemisches Verfahren hergestellt, bei dem die Aktivmaterialien auf ein selbst synthetisiertes Kupferoxid-Substrat aufgebracht werden. In Langzeittests über 15 Stunden zeigte der optimierte Katalysator der Studie zufolge eine stabile Leistung unter anspruchsvollen Reaktionsbedingungen.
Das Forschungsprojekt wird durch das Walter Benjamin-Programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert und erhielt zusätzliche Unterstützung von der Carl-Zeiss-Stiftung, der Alexander von Humboldt-Stiftung und dem JGU-Profilbereich SusInnoScience. Die Katalysator-Forschung spielt eine wichtige Rolle in der Forschungslandschaft zum Thema Wasserstoff; im November 2024 eröffnete BASF beispielsweise ein eigenes Forschungszentrum für PEM-Katalysatoren in Hannover.
