Elektrolyseure brauchen Katalysatoren, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Was dort chemisch genau passiert, ist aber alles andere als einfach zu beobachten – denn bei hohen Strömen kommt es zu einer starken Entwicklung von Sauerstoffblasen an der Anode, was die Messung erschwert und es bislang nahezu unmöglich machte, ein zuverlässiges Messsignal zu erhalten. Das berichtet Steffen Czioska vom Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Diese Wissenslücke ist insofern problematisch, weil die Bedingungen, unter denen ein Elektrolyseur arbeitet, angesichts der schwankenden Verfügbarkeit von grünem Strom sehr dynamisch sind.
Czioska und seinen Kollegen ist es nun als ersten Wissenschaftlern gelungen, trotz starker Blasenbildung das Verhalten eines Iridiumoxid-Katalysators auf atomarer Ebene zu untersuchen. Dazu haben sie die Röntgenabsorptionsspektroskopie genutzt. Sie erlaubt es, Änderungen auf atomarer Ebene besonders präzise zu untersuchen. Dieses Verfahren haben sie zudem mit anderen 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.
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.
Das Forscherteam hat seinen Beitrag zur Entwicklung verbesserter und effizienterer Katalysatoren im Journal ACS Catalysis der American Chemical Society vorgestellt.
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