Lebensdauer von Elektrokatalysatoren verlängern

Forschende der Ruhr-Universität Bochum, der Max-Planck-Institute in Düsseldorf und Mülheim, des Forschungszentrums Jülich sowie des Helmholtz-Instituts in Erlangen-Nürnberg haben herausgefunden, dass die kontinuierliche Auflösung von Chrom eine Oberflächenumwandlung ermöglicht. Obwohl Chrom selbst nicht aktiv ist, sorgt dieser Prozess dafür, dass der Co-Cr-Spinelloxid-Elektrokatalysator aktiv und stabil bleibt, was die Effizienz der Wasserstoffproduktion erheblich verbessern könnte.

Co-Cr-Spinelloxid als kostengünstiger Elektrokatalysator

Das Forschungsteam um Prof. Dr. Tong Li von der Ruhr-Universität Bochum konzentrierte sich auf Co-Cr-Spinelloxid, einen chemischen Stoff aus Kobalt, Chrom und Sauerstoff mit spezifischer Kristallstruktur. Dieses Material dient als Elektrokatalysator für die Sauerstoffentwicklungsreaktion bei der Wasserelektrolyse und stellt eine kostengünstige Alternative zu den gängigen Edelmetalloxiden dar. Bisher hatte reines Co-Spinelloxid jedoch das Problem, dass es bei dieser Reaktion schnell an Aktivität verlor. An diesem Punkt setzt die neue Forschungsarbeit an.

Chrom stabilisiert und aktiviert Kobalt

„Die Sauerstoffentwicklungsreaktion ist langsam und bildet den Engpass im gesamten System“, weiß Professorin Tong Li. Das Element Chrom im Katalysator Co-Cr-Spinelloxid selbst sei jedoch nicht aktiv an der Sauerstoffentwicklungsreaktion beteiligt. „Interessanterweise wird der Katalysator jedoch sehr aktiv und stabil, wenn viel Chrom hinzugefügt wird“, so Tong Li. Der Grund dafür ist, dass sich Chrom während der Reaktion kontinuierlich auflöst und dabei Oxyhydroxid bildet. „Dies ermöglicht eine umkehrbare Umwandlung zwischen Hydroxid und Oxyhydroxid. Die Umwandlung aktiviert das Kobalt im Katalysator und erhält die Aktivität über einen langen Zeitraum aufrecht.“

„Die Auslaugung von Chrom ist also nicht schlecht. Das ist überhaupt nicht intuitiv ”, erklärt Tong Li das überraschende Ergebnis. Für ihre neueste Studie zum Co-Cr-Spinelloxid kombinierte die Expertin für Atomsondentomografie, Tong Li, ihre Spezialmethode – die eine atomgenaue räumliche Verteilung von Materialien sichtbar macht – mit weiteren hochmodernen Verfahren. Dazu zählten die Transmissionselektronen-Mikroskopie, eine spezielle Form der Röntgenabsorptions-Spektroskopie, die Photoemissions- und Raman-Spektroskopie sowie ergänzende elektrochemische Messungen.

Ausblick: Effizientere und nachhaltigere Katalysatoren

Die Studie belegt, dass die kontinuierliche Auflösung von Chrom die Aktivität und Stabilität von Kobalt-Spinelloxid-Elektrokatalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion signifikant steigert. Diese Forschungsergebnisse könnten somit den Weg zur Entwicklung effizienterer und nachhaltigerer Katalysatoren ebnen. „Das neue atomare Verständnis ist entscheidend für die Optimierung von Elektrokatalysatoren für praktische Anwendungen, etwa die Produktion von Wasserstoff, einem vielversprechenden Energieträger für die Zukunft“, so Tong Li.

Quelle

Ruhr-Universität Bochum (11/2025)