Die Suche nach effektiven und kostengünstigen Katalysatoren für die alkalische Wasserelektrolyse, die eine Schlüsseltechnologie zur klimaneutralen Wasserstoffproduktion darstellt, hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Ein Forschungsteam der Universität Ulm hat nun bedeutende Fortschritte erzielt, indem es eine jahrzehntealte Annahme über die chemische Zusammensetzung der aktiven Oberfläche von Nickel-Katalysatoren widerlegt hat. Während man bisher davon ausging, dass diese Oberfläche aus Nickeloxohydroxid (NiOOH) besteht, zeigen die neuen Ergebnisse, dass sie tatsächlich aus Nickeldioxid (NiO₂) besteht. Die Ergebnisse dieser Studie wurden in der angesehenen Fachzeitschrift Nature Catalysis veröffentlicht.
Die elektrochemische Spaltung von Wasser führt an der Kathode zur Produktion von Wasserstoff und an der Anode zur Erzeugung von Sauerstoff. Der Fokus liegt oft auf Wasserstoff als sauberem Energieträger. Allerdings treten die größten Energieverluste häufig an der Sauerstoffelektrode auf, wo Sauerstoff generiert wird. Laut PD Dr. Albert Engstfeld, der die Studie gemeinsam mit Professor Timo Jacob geleitet hat, ist es daher entscheidend, die Effizienz der Katalysatoren für den Sauerstoffentwicklungsprozess zu verbessern. Nickel, ein Übergangsmetall, hat sich unter alkalischen Bedingungen als besonders vielversprechend erwiesen, da es eine hohe katalytische Aktivität aufweist.
Eine der Herausforderungen in dieser Forschung besteht darin, die molekulare Struktur der Katalysatoroberfläche während der elektrochemischen Reaktion zu untersuchen. Justus Leist, der Erstautor der Studie und Doktorand am Institut für Elektrochemie, betont die Bedeutung von „operando“-Analysen, bei denen das Material während der Reaktion untersucht wird. Für diese Analyse wurde die Oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) eingesetzt. Bei dieser Methode wird eine dünne Schicht des Materials auf eine rauhe Goldoberfläche aufgetragen, was die Wechselwirkungen mit einem Laser verstärkt und somit wertvolle Informationen über die Struktur des Katalysators liefert.
Die Ulmer Forscher haben mit einer Isotopenmarkierung die Annahme über die Nickeloberfläche überprüft. Sie führten Raman-Messungen sowohl in normalem Wasser (H₂O) als auch in deuteriertem Wasser (D₂O) durch. Bei dieser Untersuchung erwarteten sie, dass sich die Schwingungseigenschaften der OH- und OD-Gruppen entsprechend verändern würden, wenn NiOOH tatsächlich die aktive Oberfläche wäre. Die Ergebnisse zeigten jedoch keine derartigen Änderungen, was die Hypothese über NiOOH in Frage stellte. Weitere elektrochemische Analysen und Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen führten schließlich zu dem Schluss, dass die tatsächliche chemische Zusammensetzung der Nickeloberfläche NiO₂ ist.
Diese Erkenntnis hat weitreichende Implikationen für die chemische Grundlagenforschung, da sie die bisherigen Annahmen über die Adsorptionsplätze und Reaktionsmechanismen an der Oberfläche neu bewertet. Professor Timo Jacob erklärte, dass der Unterschied zwischen NiOOH und NiO₂ im Hinblick auf die Wasserstoffatome grundlegend ist. Während NiOOH Wasserstoff enthält, ist dies bei NiO₂ nicht der Fall.
Darüber hinaus bietet die Studie wichtige neue Einsichten in die Interpretation von Raman-Spektren katalytischer Materialien. Bestimmte Spektralbanden wurden früher häufig als Reaktionsintermediate interpretiert, jedoch konnte das Forschungsteam zeigen, dass diese Signale tatsächlich auf Obertöne zurückzuführen sind, ein physikalisches Phänomen, das in dieser Materialklasse selten beobachtet wird. Justus Leist erklärt, dass diese Obertöne aufgrund ihrer besonderen Struktur bei Materialien auftreten, die aus zweidimensionalen Schichten bestehen.
Die Ergebnisse dieser Forschung sind nicht nur für das Verständnis der Nickeloberflächen relevant, sondern auch für die weitere Entwicklung von Katalysatoren in der Plasma-Elektrokatalyse. In einem Sonderforschungsbereich, der die Wechselwirkungen zwischen Plasma, Flüssigkeiten und Festkörpern untersucht, arbeiten die Ulmer Chemiker an der Entwicklung neuer Katalysatoren, die höhere Stromdichten und Spannungen ermöglichen.
Insgesamt zeigen die neuen Erkenntnisse der Ulmer Forschenden, wie wichtig es ist, bestehende Annahmen zu hinterfragen und die Grundlagen der Katalyse weiter zu erforschen, um die Effizienz von Technologien zur Wasserstoffproduktion zu steigern.
