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Hört die Signale! Forscher registrieren trügerische Signale bei der Spaltung von Wasser

Quelle: Universität Ulm 2 min Lesedauer

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Ein Team der Universität Ulm hat eine gängige Annahme widerlegt! Die katalytisch aktive Oberfläche von Nickelelektroden besteht nicht aus Nickeloxohydroxid (NiOOH), sondern aus Nickeldioxid (NiO2) ...

Bei der Elektrolyse von Wasser, um Wasserstoff zu gewinnen, geschehen in Wirklichkeit ganz andere Dinge, als jahrzehntelang angenommen. Das haben Forscher von der Universität Ulm jetzt herausgefunden ...(Bild: KI-generiert)
Bei der Elektrolyse von Wasser, um Wasserstoff zu gewinnen, geschehen in Wirklichkeit ganz andere Dinge, als jahrzehntelang angenommen. Das haben Forscher von der Universität Ulm jetzt herausgefunden ...
(Bild: KI-generiert)

Bei der elektrochemischen Spaltung von Wasser entsteht an der Kathode Wasserstoff und an der Anode Sauerstoff – das ist klar. Zwar steht meist der Wasserstoff als klimaneutraler Energieträger im Mittelpunkt, doch treten die größten Energieverluste häufig an der Sauerstoffelektrode auf – also dort, wo der Sauerstoff entwickelt wird, wie die Ulmer Forscher sagen. Für diese Sauerstoff-Entwicklungsreaktion brauche es deshalb effiziente Katalysatoren. Und hier kommt das Metall Nickel ins Spiel. Denn als Übergangsmetall ist es für diese Anwendung besonders interessant, weil es unter alkalischen Bedingungen eine hohe katalytische Aktivität aufweist. Unter Reaktionsbedingungen bildet Nickel dann oxidierte Oberflächenstrukturen aus, deren Beschaffenheit entscheidend dafür ist, wie die Sauerstoffentwicklung im Detail abläuft, so die Forscher.

Raman-Spektroskopie bringt es ans Licht

Wie lässt sich die molekulare Struktur der Katalysatoroberfläche nun aber analytisch aufschlüsseln? Die Antwort: Entscheidend für ein valides Ergebnis ist es, das Material während der chemischen Reaktion zu beobachten! Um das zu erreichen, wurde die sogenannte oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) eingesetzt. Für dieses spezielle analytische Messverfahren wird eine dünne Schicht des zu untersuchenden Materials auf eine raue Goldoberfläche aufgetragen. Das verstärkt die Wechselwirkung des Materials mit einem einfallenden Laser. Aus der Rückstrahlung des Laserlichts können dann Erkenntnisse über die Struktur des Materials gewonnen werden. Damit konnte schließlich widerlegt werden, dass die aktive Oberfläche von aus Nickel bestehenden Katalysatoren während der Sauerstoffgewinnung aus, wie jahrzehntelang fälschlich angenommen, aus Nickeloxohydroxid besteht.

Zweidimensionale Materialien zeigen Obertöne

Außer der Neubewertung der Nickeloberfläche lieferte die Studie auch wichtige grundsätzliche Erkenntnisse zur Interpretation von Raman-Spektren katalytischer Materialien. Denn bestimmte Banden in den Spektren wurden bis dato häufig sogenannten Reaktionsintermediaten zugeschrieben – das sind kurzlebige Zwischenstufen des chemischen Prozesses. Das Ulmer Forschungsteam konnte jedoch experimentell zeigen, dass die Signale auf ein für diese Materialklasse selten zu beobachtendes physikalisches Phänomen zurückzuführen ist – und zwar auf Obertöne. Basierend auf vereinfachten theoretischen Modellen sind entsprechende Banden üblicherweise physikalisch verboten und werden erst durch erweiterte Modelle zugänglich, merken die Forscher an. Doch basierend auf weiteren Messungen an Cobalt und Mangan basierten Oxiden, konnte das Team postulieren, dass diese Obertöne vor allem bei Materialien auftreten, die aus zweidimensionalen Lagen aufgebaut sind.

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