Kationen: Fluch und Segen für die Produktion von Wasserstoff

Für die Produktion von grünem Wasserstoff oder die Umwandlung von CO2 sind elektrochemische Reaktionen, die meist in flüssigen Elektrolyten ablaufen, von zentraler Bedeutung. Obwohl Kationen wie Natriumionen als sogenannte „spectator species“ nicht direkt an den chemischen Umwandlungen teilnehmen, beeinflussen sie die Reaktionsgeschwindigkeit massiv, indem sie diese entweder beschleunigen oder hemmen.

Während dieser bereits in den 1930er Jahren beobachtete, gegensätzliche Effekt lange Zeit ein Rätsel blieb, liefern Forschende des Forschungszentrums Jülich und der Universität Leiden nun eine verblüffend einfache Erklärung. In ihrer Studie präsentieren sie erstmals ein einheitliches physikalisches Bild, das die komplexe Wechselwirkung dieser „Zuschauerteilchen“ schlüssig auflöst

Doppelrolle an der Grenzfläche

Die zentrale Erkenntnis der Studie besagt, dass sich Kationen in der Nähe einer Elektrode nicht eindeutig vorteilhaft oder nachteilig verhalten, da sie in zwei verschiedenen Zuständen existieren können. Kationen, die in der Flüssigkeit gelöst bleiben und sich nahe der Elektrodenoberfläche ansammeln, verstärken das lokale elektrische Feld und beschleunigen dadurch essenzielle Reaktionsschritte wie die Wasserspaltung. Im Gegensatz dazu lagern sich Kationen, die einen Teil ihrer Flüssigkeitshülle verlieren, direkt an der Katalysatoroberfläche an, was das elektrische Feld schwächt und die Reaktion verlangsamt. Welcher dieser gegensätzlichen Effekte letztlich überwiegt, wird durch das spezifische Verhältnis der beiden Zustände zueinander bestimmt.

Eine neue Perspektive auf die Elektrokatalyse

Die Studie unterstreicht ein grundlegendes Prinzip: die entscheidende Bedeutung der lokalen elektrischen Umgebung an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt. Diese Erkenntnisse eröffnen neue Wege, um elektrochemische Prozesse wie die Wasserelektrolyse zur Gewinnung von grünem Wasserstoff gezielt zu optimieren. Künftig sollte es möglich sein, die Zusammensetzung und Eigenschaften von Elektrolyten so zu modifizieren, dass die Kinetik der Reaktionen präzise gesteuert werden kann. Ein vielversprechender Ansatz besteht darin, verschiedene Kationentypen zu kombinieren, um die positiven und negativen Effekte gezielt auszubalancieren und so die Effizienz der Verfahren zu maximieren.

Quelle

Forschungszentrum Jülich (04/2026)