Auf dem Weg in die Zukunft des grünen Wasserstoffs mit neuartigen Katalysatoren
Forschende um PD. Dr. Harun Tüysüz publizieren gleich zwei spannende Arbeiten in wichtigen wissenschaftlichen Journals
Wie kann der Energiebedarf der Menschheit in Zukunft nachhaltig gedeckt werden? Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kohlenforschung gehen dieser Frage auf den Grund - unter anderem mit besonderen Katalysatoren.
Der wachsende Bedarf an nachhaltigen Energielösungen hat die Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse in den Mittelpunkt der Forschung zu sauberer Energie gerückt. Am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung (MPI-KOFO) arbeiten Forscher der Gruppe von PD. Dr. Harun Tüysüz an der Entwicklung fortschrittlicher Einzelatomkatalysatoren (single-atom catalysts, sogenannte SACs), um die Effizienz und Stabilität der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) der Wasserelektrolyse zu verbessern. Zwei wegweisende Studien, die kürzlich im Journal of the American Chemical Society (JACS) und in Advanced Materials veröffentlicht wurden, heben Innovationen bei diesen Katalysatoren hervor, die vielversprechende Schritte in Richtung einer skalierbaren grünen Wasserstoffproduktion darstellen. SACs entwickeln sich aufgrund ihrer wohldefinierten Atomlagen, ihrer hohen Atomeffizienz und ihrer abstimmbaren Wechselwirkungen mit Trägermaterialien zu Katalysatoren der nächsten Generation. Dadurch sie sich ideal für Energieumwandlungsanwendungen eignen.
Die von der Max-Planck-Gesellschaft unterstützten Untersuchungen und Kooperationen im Rahmen von FUNCAT zwischen Harun Tüysüz am MPI-KOFO und dem Team von Serena DeBeer am Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion zeigen neue Wege auf, um die Stabilität von Iridium (Ir)-Einzelatomen auf Oxidträgern unter rauen OER-Bedingungen zu verbessern, was nach wie vor eine große Herausforderung für die großtechnische Wasserstoffproduktion darstellt.
Die erste Studie unter der Leitung des Alexander-von-Humboldt-Stipendiaten Dr. Ashwani Kumar, die in JACS vorgestellt wurde, präsentiert einen neuartigen Ansatz zur Verbesserung der Stabilität von Ir-SACs für alkalische OER durch Regulierung der lokalen Koordinationssphäre von Ir-Einzelatomen auf Nickeloxid. Durch die Anpassung der zweiten Koordinationshülle konnte das Team eine bemerkenswerte Verbesserung sowohl der Aktivität als auch der Langzeitstabilität nachweisen und übertraf damit die Leistung von handelsüblichem IrO₂. Diese Stabilitätsverbesserung wird auf eine verstärkte Ir-Ni-Zweitschalenkoordination zurückgeführt, die die einzelnen Atome während des OER-Prozesses vor Auswaschung schützt und so eine langanhaltende Leistung bei minimaler Degradation gewährleistet. Die Arbeit zeigt, dass eine präzise Kontrolle der atomaren Umgebung um die Ir-Atome herum die Metallauswaschung verringern und eine anhaltende katalytische Leistung gewährleisten kann, was für die großtechnische Wasserstoffproduktion von entscheidender Bedeutung ist.
Der zweite bahnbrechende Forschungsartikel, der in Advanced Materials veröffentlicht wurde, lenkte die Aufmerksamkeit auf die saure OER, bei der die Stabilität noch schwieriger ist. Das Team untersuchte die Verwendung von einzelnen Ir-Atomen auf Kobaltoxidträgern und erforschte, wie die räumliche Anordnung der Ir-Atome durch Modifikationen der Kobaltoxidmatrix gesteuert werden kann. Insbesondere führte die Substitution von Mangan im Kobaltoxid-Gerüst zur Migration von einzelnen Ir-Atomen, die Ir-Ensembles mit kurzer Reichweite und einer einzigartigen Bindungslänge von 2,6 Å bildeten. Diese Ir-Einzelatom-Ensembles folgten einem unkonventionellen Oxid-Pfad-Mechanismus, der die direkte O-O-Kopplung förderte und den traditionellen Mechanismus der Adsorptiventwicklung umging. Diese Verschiebung des Reaktionsmechanismus verbesserte nicht nur die katalytische Effizienz, sondern erhöhte auch die Stabilität der Katalysatoren in sauren Medien, in denen herkömmliche SACs oft aufgrund der schnellen Metallauflösung versagen.
Da sich die globale Energielandschaft in Richtung erneuerbarer Lösungen verschiebt, sind SACs bereit, Branchen von der Energieumwandlung bis zur chemischen Fertigung zu revolutionieren. Die am MPI-KOFO durchgeführten Arbeiten schaffen die Voraussetzungen für die weitere Erforschung von SACs in verschiedenen Energieanwendungen, insbesondere im großtechnischen Einsatz grüner Wasserstofftechnologien.
