Wasserstoff, der mit Hilfe von elektrischer Energie aus erneuerbaren Energiequellen gewonnen wird, ist der Schlüssel zur Energiewende: Mit ihm lassen sich Wind- und Sonnenenergie CO2-neutral chemisch speichern. Die Forscher untersuchten die Elektrolyseprozesse von Wasser an der Oberfläche des Iridiumoxid-Katalysators.
Mit Energie aus Solarmodulen und Windkraftanlagen kann Wasser ohne gefährliche Emissionen durch Elektrolyse in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden. Da die Verfügbarkeit von Energie aus erneuerbaren Quellen bei der Erzeugung von grünem, also Kohlendioxid, unterschiedlich ist2– Neutral, Wasserstoff, es ist sehr wichtig, das Verhalten von Katalysatoren unter hohen und dynamischen Belastungsbedingungen zu kennen. „Bei hohen Strömen ist eine starke Entwicklung von Sauerstoffblasen an der Anode zu beobachten, die den Messvorgang verschlechtert. Ein zuverlässiges Messsignal ist damit bisher nicht möglich“, sagt Erstautor der Studie, Dr. Stephen Czyuska von KIT Institut für Chemische Technologie und Chemie Polymere (ITCP). Durch die Kombination verschiedener Techniken ist es den Forschern nun gelungen, die Oberfläche des Iridiumoxid-Katalysators unter dynamischen Betriebsbedingungen grundlegend zu untersuchen. „Wir haben zum ersten Mal das Verhalten des Katalysators auf atomarer Ebene trotz starker Blasenentwicklung untersucht“, sagt Czyuska. Die American Chemical Society (ACS) misst der Veröffentlichung des KIT eine hohe Bedeutung für die internationale Gemeinschaft zu und empfiehlt es als ACS Editor’s Choice.
Röntgenabsorptionsspektroskopie mit Synchrotronlicht
Für die Katalyse haben Forscher des ITCP des KIT, des Instituts für Katalyseforschung und -technologie und der Gruppe Elektrochemische Technologien des Instituts für Angewandte Materialien die Röntgenabsorptionsspektroskopie zur hochgenauen Untersuchung von Modifikationen auf atomarer Ebene mit anderen Analysemethoden kombiniert. „Wir haben während der Reaktion regelmäßige Prozesse auf der Oberfläche des Katalysators beobachtet, weil alle Unregelmäßigkeiten herausgefiltert wurden – ähnlich wie beim langsamen Schießen auf der Straße bei Nacht – und wir haben auch dynamische Prozesse verfolgt“, sagt Czyuska. „Unsere Studie zeigt höchst unerwartete strukturelle Veränderungen im Zusammenhang mit der Stabilisierung des Katalysators bei hohen Spannungen unter dynamischer Belastung“, fügt der Chemiker hinzu. Die Auflösung von Iridiumoxid wird verringert und die Substanz bleibt stabil.
Die Ergebnisse werden zu besseren und effizienteren Katalysatoren beitragen
Das Verständnis der Prozesse auf der Katalysatoroberfläche ebnet den Weg für die weitere Untersuchung von Katalysatoren mit hohem elektrischem Potenzial und wird zur Entwicklung verbesserter und effizienterer Katalysatoren beitragen, die den Energieübertragungsbedarf decken, bemerkt Czyuska. Die Studie ist Teil des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Schwerpunktprogramms „Dynakat“. Koordiniert wird diese Zusammenarbeit von mehr als 30 Forschungsgruppen aus ganz Deutschland von Professor Jan Dirk Grunwaldt vom ITCP.
Grüner Wasserstoff ist ein umweltverträglicher chemischer Energiespeicher und damit ein wichtiger Bestandteil der Dekarbonisierung beispielsweise in der Stahl- und Chemieindustrie. Laut der 2020 von der Bundesregierung beschlossenen Nationalen Wasserstoffstrategie wird eine zuverlässige, bezahlbare und nachhaltige Wasserstoffproduktion die Grundlage für seine zukünftige Nutzung sein.
Quelle der Geschichte:
Materialien Einführung von Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Hinweis: Der Inhalt kann je nach Stil und Länge geändert werden.
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