Wasserstoff-Elektrolyseure günstiger durch neue Erkenntnisse über die Platin-Oxidation?

Elektrolyseure erzeugen Wasserstoff, während Brennstoffzellen diesen in elektrischen Strom umwandeln. Beide Systeme gelten als Schlüsseltechnologien der Energiewende. Sie bieten erprobte Lösungen für Speicherung, Transport und Produktion erneuerbarer Energien. Allerdings verlieren die genutzten Platin-Katalysatoren unter hoher Belastung kontinuierlich an Leistungsfähigkeit. Dieser rasche Verschleiß erhöht die Kosten aller Wasserstofftechnologien erheblich. Ein Forschungsteam unter DESY-Leitung beobachtete nun erstmals eine elektrochemische Oberflächenveränderung in Echtzeit. Unter elektrischer Spannung bildet sich in wässrigen Elektrolyten eine Oxidschicht auf Platin. Die Ergebnisse könnten die Entwicklung langlebigerer Materialien unterstützen.

Strukturaufklärung auf atomarer Ebene mittels Synchrotronstrahlung

Platin beschleunigt als Katalysatormaterial die zentralen chemischen Reaktionen der Wasserstofftechnologie. Unter hohen elektrischen Spannungen degradiert die Oberfläche jedoch. In der Folge sinkt die katalytische Aktivität des Edelmetalls.
Das internationale Forschungsteam untersuchte diese strukturellen Veränderungen an der Röntgenquelle PETRA III bei DESY. Die hochauflösenden Röntgenmessungen zeigen eine spannungsabhängige, schrittweise Oxidation der Platinoberfläche. Dieser Prozess verändert die innere Struktur des Materials grundlegend.

„Wir sehen hier einen Balanceakt zwischen Stabilität und Aktivität“, sagt Prof. Andreas Stierle. „Die Oxidation schützt die Platinoberfläche teilweise vor weiterem Materialverlust, macht den Katalysator aber gleichzeitig weniger effizient. Solche Prozesse besser zu verstehen, ist entscheidend, um langlebigere Materialien für Elektrolyseure und Brennstoffzellen entwickeln zu können.“

Innovative Methoden-Kombination für die In-situ-Analytik

Die Oxidation verläuft atomlagenweise und führt unter hohen Spannungen zu ungeordnetem Platinoxid. Für die In-situ-Experimente kombinierten die Forschenden erstmals drei komplementäre Röntgenmethoden parallel. Dies erlaubte die gleichzeitige Bestimmung von atomarer Oberflächenstruktur, Oxidschichtdicke und chemischer Zusammensetzung unter realistischen Reaktionsbedingungen.

„Der entscheidende Fortschritt bestand darin, modernste Synchrotronstrahlung mit einer etablierten Methode der grundlegenden Elektrochemie zu kombinieren“, sagt Leon Jacobse. „Dadurch konnten wir Veränderungen auf atomarer Ebene verfolgen, während die Reaktion tatsächlich ablief.“ Vedran Vonk ergänzt: „Die neue Methoden-Kombination erlaubt uns, strukturelle Veränderungen von Katalysatoren unter praxisnahen Einsatzbedingungen in Echtzeit zu verfolgen. Dadurch können wir die Leistungsfähigkeit und Alterung der Materialien direkt miteinander verknüpfen.“

Implikationen für die Materialentwicklung und Batterieforschung

Das exakte Verständnis dieser atomaren Vorgänge ist die Basis für neue Strategien gegen den Alterungsprozess. Vedran Vonk ergänzt: „Das eröffnet auch für andere elektrochemische Prozesse neue Möglichkeiten, zum Beispiel auch für verschiedene Batterietechnologien, wo es ähnliche Probleme mit Alterung gibt.“

Zukünftige Studien sollen die Degradation praxisnaher Katalysatormaterialien wie Platin-Nanopartikel unter Betriebsbedingungen untersuchen. Langfristig zielen die Daten auf ressourcenschonende, kostengünstige Materialien für Elektrolyseure ab. Das ermöglicht effizientere und wirtschaftlichere Wasserstofftechnologien.

Quelle

Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY (06/2026)