Elektrokatalyse mit doppeltem Nutzen – ein Überblick

Hybride Elektrokatalysatoren versprechen wirtschaftlich rentable Anwendungen, da sie gleichzeitig grünen Wasserstoff und wertvolle organische Verbindungen produzieren können. Allerdings sind die dabei ablaufenden, komplexen katalytischen Reaktionen noch nicht vollständig verstanden. Moderne Röntgenmethoden an Synchrotronquellen wie BESSY II ermöglichen es nun, diese Katalysatormaterialien und die Reaktionen an ihren Oberflächen in Echtzeit, in situ und unter realen Betriebsbedingungen detailliert zu analysieren.

Ökologische und ökonomische Vorteile der hybriden Elektrokatalyse

Hybride Wasserelektrolyseure steigern die Rentabilität der Wasserstofferzeugung erheblich, indem sie an der Kathode Wasserstoff oder andere Reduktionsprodukte und an der Anode wertvolle organische Oxidationsprodukte erzeugen. Ein entscheidender Vorteil ist die Umweltfreundlichkeit dieser elektrokatalytischen Organischen Oxidationsreaktionen (OOR), da die herkömmliche Synthese oft aggressive Reagenzien erfordert.

Allerdings sind organische Oxidationsreaktionen (OOR) sehr komplex – sie umfassen Phasenübergänge, unterschiedliche Oxidationszustände und eine variable Produktselektivität. Die Forschung in diesem Bereich steckt daher noch in den Anfängen. Ein Team um Dr. Prashanth Menezes und Prof. Matthias Driess bietet nun einen umfassenden Überblick über dieses spannende Forschungsgebiet und stellt die neuesten Methoden an Synchrotronquellen wie BESSY II vor, mit denen diese komplexen Reaktionen in Echtzeit und in situ analysiert werden können.

Methoden zur Analyse komplexer Reaktionen

Der Überblick behandelt eine Reihe katalytischer Reaktionen, wie die Oxygenierung von Alkoholen und Aldehyden, die Dehydrierung von Aminen, den Harnstoffabbau sowie Kupplungsreaktionen. Die Autoren stellen die nützlichsten Analysemethoden zur Untersuchung dieser komplexen Mechanismen vor, darunter Röntgenabsorption, Raman- und Infrarotspektroskopie sowie die differentielle elektrochemische Massenspektrometrie.

Dabei zeigen In-situ-Methoden strukturelle Veränderungen im Katalysator auf, während Operando-Techniken zusätzlich Struktur und Aktivität unter realen Betriebsbedingungen überwachen. Diese Methoden sind universell einsetzbar, um Einblicke in das Verhalten von Katalysatoren zu gewinnen. Die Übersicht beinhaltet zudem ein Kapitel über Methoden des maschinellen Lernens zur Auswertung der großen generierten Datensätze.

„Diese Übersicht soll das Bewusstsein für dieses spannende Forschungsgebiet schärfen und Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ermutigen, verschiedene Analysetechniken zu kombinieren. Dies wird das Verständnis heterogener katalytischer Reaktionen fördern und die Entwicklung effizienter Hybrid-Elektrokatalysatoren als nachhaltige grüne Chemietechnologie beschleunigen“, sagt Menezes.

Quelle

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (10/2025)

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