Plattform für Wasser, Gas und Wärme
(sda) Eine Methode, die derzeit von zahlreichen Forschern untersucht wird, ist die Speicherung der Energie in gasförmiger Form in Elektrolysezellen. Diese arbeiten mit Strom, der eine Elektrolysereaktion auslöst, bei der Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden. Die Elektrizität kann dann durch Umkehrung der Reaktion und Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser zurückgewonnen werden.
Katalysatoren spielen bei dieser Reaktion eine entscheidende Rolle. Sie werden verwendet, um elektrokatalytische Reaktionen zu beschleunigen, ohne dabei verbraucht zu werden. Bei den zur Wasserelektrolyse verwendeten Katalysatoren handelt es sich um Metalloxide, von denen einige tendenziell besser funktionieren als andere - der genaue Grund dafür war bis anhin jedoch noch unbekannt.
Um dies herauszufinden, beobachteten Vasiliki Tileli und ihr Doktorand Tzu-Hsien Shen die Reaktionen der Wasserelektrolyse unter dem Elektronenmikroskop. Sie untersuchten, wie sich der Katalysator während des gesamten Prozesses verhält, indem sie Bilder im Nanomassstab erstellten.
Dabei verwendeten sie einen Oxidkatalysator vom Perowskit-Typ namens BSCF. «Es ist ein faszinierender Katalysator mit aussergewöhnlichen Wasserspaltungseigenschaften», sagt Tileli, Assistenzprofessorin und Leiterin des EPFL-Labors für die In-situ-Charakterisierung von Nanomaterialien mit Elektronen. «Die meisten der derzeit verwendeten Katalysatoren, z. B. aus Iridium und Ruthenium, sind zwar wirksam, aber sehr teuer und ihr Angebot ist begrenzt. Es müssen also Alternativen gefunden werden».
Während der Beobachtung und der Dokumentation des Verhaltens des Katalysators stellten die Forschenden fest, dass sich die Oberflächenatome der Partikel während der Reaktion umverteilen und die Oberflächeneigenschaften verändern. Dies hat zur Folge, dass die Partikel in den verschiedenen Phasen des Elektrolysezyklus unterschiedlich mit ihrer Umgebung interagieren. Bei einigen Schritten ist die Oberfläche wasserabweisend, während sie bei anderen Wasser anzieht.
Dies war vermutet, aber noch nie zuvor auf nanoskopischer Ebene und in Echtzeit beobachtet worden. Die Fähigkeit eines Materials, zwischen dem hydrophoben und dem hydrophilen Zustand hin- und herzuschalten, ist laut Tileli für Ingenieure sehr wertvoll und kann in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden: beispielsweise in Sensoren, Wasserreinigungssystemen und selbstreinigenden Oberflächen.
Die Studie wurde in der Fachzeitschrift «Nature Catalysis» veröffentlicht: https://doi.org/10.1038/s41929-021-00723-w
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