Technologie: Wissenschaft

Elektrolyse: Modell­vorstellung zur Wasser­stoff­erzeugung widerlegt

Elektrolyse
© Gerd Altmann | pixabay

[UDE] – Wasserstoff nur aus Wasser und Sonnen­energie herstellen – an diesem nachhaltigen Weg der Elektrolyse arbeiten Forschende weltweit. Theoretiker unterstützen die Entwicklung, indem sie viel­ver­sprechende Materialien und Methoden aufzeigen. Prof. Kai S. Exner aus der Theoretischen An­organischen Chemie der Universität Duisburg-Essen (UDE) konnte nun nachweisen, dass bisherige Modellierungen von zu einfachen Mechanismen ausgegangen sind und daher keine verläss­lichen Ergebnisse liefern. Seine Analyse veröffentlichte er im Fachmagazin Materials Horizons.

Die Elektrolyse findet zwischen zwei Polen statt: Der ge­wünschte Wasser­stoff (H2) entsteht an der Kathode, parallel wird an der Anode Sauer­stoff (O2) freigesetzt. Beide Seiten sind voneinander abhängig, daher steht die Forschung unter anderem vor folgender Heraus­forderung: Die Bildung von H2 funktioniert bereits recht effizient, doch die Sauerstoff­gas­entwicklung auf der anderen Seite benötigt die sechs- bis sieben­fache Über­spannung, sodass dieser Teil des Prozesses die Energiee­ffizienz bestimmt.

Daher konzentriert sich die Forschung derzeit auf die Anode. Ziel ist es, hierfür bessere Materialien zu ent­wickeln, die auch bei einer niedrigeren Über­spannung hin­reichend aktiv und stabil sind. Begleitet wird diese Entwicklungs­arbeit von theoret­ischen Modellier­ungen, die mit Näherungen und Annahmen arbeiten.

Eines der vermeintlichen Paradigmen war bisher die Annahme, dass der Prozess der Sauer­stoff­gas­entwicklung auf einem einzigen Mechanismus beruht, der drei definierte Zwischen­produkte enthält. Prof. Kai S. Exner, Theoretischer Elektro­chemiker an der UDE, hat diese Annahme erstmals in Frage gestellt: „In der Literatur habe ich Hinweise auf andere be­tei­ligte Mechanismen gefunden – insgesamt sechs verschiedene.“

Er konstruierte daraufhin Vulkan­kurven für alle sechs Mechanis­men – ein Konzept aus der Katalyse­forschung – um Aktivitäts­trends zu erfassen. Sein Ergebnis: Nur inaktive Katalysa­toren lassen sich mit dem bisherigen Modell eines einzigen Mechanismus‘ modellieren. Bei den entscheiden­den hochaktiven Katalysatoren hingegen gehen die Mechanismen mit zunehmender Überspannung ineinander über.

„Die bisherige Verein­fachung ist daher nicht gerecht­fertigt“, schließt Exner. „Stattdessen müssen wir eine hin­reichen­de Anzahl von Mechanismen in unsere Modellierungen ein­be­ziehen, um präzise Vorher­sagen treffen zu können.“

Seine Erkenntnisse fließen unter anderem ein in die Arbeit des Sonder­forschungs­bereichs Trans­regio – Heterogene Oxidations­katalyse in der Flüssig­phase, an dem Forschende der UDE maßgeblich beteiligt sind. Dieser entwickelt katalytische Materialien und Prozesse, um Chemikalien nach­haltig und effizient herzustellen.