Wasserstoff wird künftig eine wichtige Rolle spielen, als Brennstoff und als Rohstoff für die Industrie. Um jedoch relevante Mengen an Wasserstoff zu produzieren, muss Wasserelektrolyse im Multi-Gigawatt-Maßstab machbar werden. Ein Engpass sind die benötigten Katalysatoren, insbesondere das seltene Element Iridium. Eine internationale Kooperation hat Iridiumfreie Katalysatoren für die saure Wasserelektrolyse untersucht, die auf dem Element Kobalt basieren. Durch Untersuchungen, unter anderem am LiXEdrom an der Berliner Röntgenquelle BESSY II, konnten sie Prozesse bei der Elektrolyse in einem Kobalt-Eisen-Blei-Oxid-Material als Anode aufklären. Die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) bei der Wasserelektrolyse benötigt besondere katalytische Unterstützung. Doch Iridium-Katalysatoren sind aufgrund des Preises und der limitierten Verfügbarkeit für einen Einsatz im großen Maßstab problematisch, es gilt also Alternativen zu finden.
Ein internationales Team unter der Leitung von Dr. Alexandr N. Simonov von der Monash University in Melbourne, Australien, hat nun die saure Sauerstoffentwicklungsreaktion an Kobalt-basierten Katalysatoren untersucht und dabei die Veränderungen an den aktiven Kobaltstellen aufgeklärt. Dafür setzten die Forschungsteams mehrere Methoden ein und kombinierten die Erkenntnisse zu einem neuen Bild.
Prozesse während der Katalyse
Die Entwicklung von Katalysatoren steht und fällt mit der Stabilisierung der Materialien während der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER). Diese Stabilität ist das Ergebnis eines komplexen Zusammenspiels von Korrosion und Oxidation. „In dieser Studie haben wir aufgedeckt, dass die Korrosions- und Ablagerungsprozesse nicht direkt mit dem katalytischen Prozess gekoppelt sind, sondern parallel ablaufen“, erklärt Dr. Marc Tesch vom Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion, einer der Autoren der Studie.
Die zeitaufgelösten Messungen der Forschenden ergaben zudem, dass die Umwandlung des Katalysators in einen stabilen, aktiven Zustand nicht sofort, sondern über einen Zeitraum von Minuten erfolgt. Mittels Röntgenspektroskopie konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zudem nachweisen, dass die katalytisch aktiven Kobaltstellen während der sauren OER einen Oxidationszustand von über 3+ annehmen. Gleichzeitig weisen sie keine Fernordnung auf. Dies unterscheidet sie von Kobalt-μ-(Hydr)oxo-Strukturen, die typischerweise in neutralen oder basischen Umgebungen vorkommen.
Internationale Zusammenarbeit unter Corona-Bedingungen
Ein großer Teil der Forschung wurde während der Corona-Pandemie am BESSY II durchgeführt, als internationale Reisen und der externe Zugang zur Synchrotronanlage stark eingeschränkt waren. „Daher war die Unterstützung durch das lokale Team am BESSY II besonders wichtig“, sagt Tesch. Die Erkenntnisse sind künftig hilfreich, um kostengünstige Anodenkatalysatoren auf Kobaltbasis für den Einsatz in Protonenaustausch-Wasserelektrolyseuren zu entwickeln.
Quelle
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (08/2025)
Publikation
Decoupling the catalytic and degradation mechanisms of cobalt active sites during acidic water oxidation
Darcy Simondson, Marc F. Tesch, Ioannis Spanos, Travis E. Jones, Jining Guo, Brittany V. Kerr, Manjunath Chatti, Shannon A. Bonke, Ronny Golnak, Bernt Johannessen, Jie Xiao, Douglas R. MacFarlane, Rosalie K. Hocking & Alexandr N. Simonov
Nature Energy (2025):
DOI: 10.1038/s41560-025-01812-x
https://doi.org/10.1038/s41560-025-01812-x