18.12.2023
Schnelle und energiesparende Synthesemethode für neue Elektrokatalysatoren
Forschende des Bayerischen Zentrums für Batterietechnik und des Forschungsverbunds "SolTech" an der Universität Bayreuth haben eine neue Herstellungsmethode für Elektrokatalysatoren vorgestellt: eine schnelle Niedrigtemperatur-Synthese spezieller keramischer Werkstoffe (Hochentropie-Oxide).
Die Ergebnisse des Lehrstuhls für Physikalische Chemie III und des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung in Düsseldorf können so die Elektrolyse von Wasser und die damit verbundene Wasserstoffherstellung zukünftig energiesparender ermöglichen. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Zeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlicht.
Vor dem Hintergrund des Klimawandels und des notwendigen Umstiegs von fossilen hin zu erneuerbaren Energieträgern, gewinnt die Wasserelektrolyse für die Erzeugung von Wasserstoff immer mehr an Bedeutung. Für die Elektrolyse werden jedoch nicht nur Katalysatoren für die Reduktion von Protonen zu Wasserstoff benötigt, sondern auch für die Gegenseite, nämlich die Wasseroxidation und damit verbundene Produktion von Sauerstoff.
Die bisherigen Verfahren sind extrem energie- und zeitaufwändig und setzen schwer verfügbare Materialien ein. Die Entwicklung nachhaltiger, ungiftiger und günstiger - gleichzeitig aber trotzdem aktiver - Katalysatoren ist daher die große aktuelle Herausforderung. Die hier vorgestellte neuartige Mikrowellensynthese ermöglicht die Synthese von eisenreichen Hochentropie-Übergangsmetalloxiden bei geringer Temperatur und kurzen Zeiten unter Verwendung von Stoffen, die zu den häufigsten Elementen - und damit verfügbarsten - in der Erdkruste zählen.
Derzeit werden vor allem Elektrokatalysatoren eingesetzt, die auf Iridium- oder Rutheniumoxidbasis arbeiten, was die Materialkosten deutlich erhöht und eine großflächige Ausweitung auch in Bezug auf Materialverfügbarkeit erschwert. Für diese Prozesse werden Hochentropie-Übergangsmetalloxide immer interessanter. Diese werden allerdings meist bei hoher Temperatur und langen Synthesezeiten gewonnen. "In der Arbeit präsentieren wir erstmals eine Niedrigtemperatur-Synthese von Hochentropie-Oxiden, genauer von Spinellen mit hohem Eisenanteil", berichtet Prof. Dr. Roland Marschall, Inhaber des Lehrstuhls Physikalische Chemie III an der Universität Bayreuth.
Die neuartige Synthese in der Mikrowelle erlaubt es, die Synthesezeit auf Minuten (hier in der Regel 5-30 Minuten) und die Temperatur auf 225 °C zu reduzieren. Zum einen ist die Synthese damit viel weniger energieintensiv, und zum anderen ermöglicht dies die Herstellung von Nanopartikeln. Das ist vor allem in der Katalyse interessant, da Nanopartikel ein besonders hohes Oberflächen- zu Volumenverhältnis aufweisen und die für die Elektrolyse notwendigen katalytischen Reaktionen an der Oberfläche ablaufen.
"Wir konnten in der Arbeit erstmals zeigen, dass eine breite Vielfalt unterschiedlicher Zusammensetzungen mit bis zu sieben verschiedenen Metallen zusätzlich zu Eisen mit dieser einfachen Niedrigtemperatur-Synthese erreicht werden kann", sagt Prof. Marschall. Ein partieller Ersatz von Eisen durch das für seine hohe Aktivität bekannte Kobalt konnte eine zusätzliche Steigerung der katalytischen Aktivität ermöglichen.
"Zuletzt hängt die Aktivität der Katalysatoren noch maßgeblich von der Zusammensetzung ab - die ist allerdings nicht bei allen bisherigen Synthesemethoden frei variierbar. Unsere Methode zeigt dagegen hohe Flexibilität, was den Einbau einer Vielzahl von Elementen in unterschiedlichen Oxidationsstufen ermöglicht, und zum anderen erlaubt, die Zusammensetzung und damit auch die Aktivität der Katalysatoren einzustellen."
An der Arbeit beteiligt waren neben Prof. Marschall die wissenschaftlichen Mitarbeiter Dr. Judith Zander (unterstützt durch das BayBatt der Universität Bayreuth und den Forschungsverbund "SolTech"), Julia Petra Wölfel und Dr. Morten Weiss. Darüber hinaus Dr. Yiqun Jiang, Dr. Ningyan Cheng und Dr. Siyuan Zhang vom Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf.
Quelle: Universität Bayreuth