Lang lebe der Elektrolyseur Wasserstoff-Technologien könnten durch neue Erkenntnisse über die Platin-Oxidation günstiger werden

Elektrolyseure erzeugen Wasserstoff. Und Brennstoffzellen machen mit Wasserstoff elektrischen Strom. Beide Geräte gelten als Schlüsseltechnologien der Energiewende, da sie gut erprobte Lösungen bieten für Speicherung, Transport und Produktion erneuerbarer Energien. Allerdings: Die dabei oft genutzten Platin-Katalysatoren verlieren unter hoher Belastung mit der Zeit an Leistungsfähigkeit. Sie „verschleißen“ sozusagen allzu schnell, was alle Wasserstofftechnologien teurer macht.

 

Ein Forschungsteam unter DESY-Leitung hat nun erstmals in Echtzeit beobachtet, wie sich auf einer Platinoberfläche unter elektrischer Spannung in Kontakt mit einem wässrigen Elektrolyten eine Oxidschicht bildet. Die Ergebnisse könnten helfen, langlebigere Wasserstofftechnologien zu entwickeln – sie sind nun im Fachmagazin „Nature Communications“ erschienen.

Platin zählt zu den wichtigsten Materialien für Elektrolyseure und Brennstoffzellen. Dort beschleunigt das Edelmetall chemische Reaktionen, die etwa für die Herstellung oder Nutzung von Wasserstoff notwendig sind. Unter hohen Spannungen verändert sich die Oberfläche des Materials jedoch und verliert mit der Zeit an katalytischer Aktivität.

Ein internationales Forschungsteam hat diese Veränderungen nun mithilfe hochauflösender Röntgenmethoden an der Röntgenquelle PETRA III bei DESY untersucht, und zwar auf atomarer Ebene. Die Messungen zeigen, dass sich abhängig von der elektrischen Spannung schrittweise eine dünne Oxidschicht auf der Platinoberfläche bildet und die innere Struktur des Materials verändert.

„Wir sehen hier einen Balanceakt zwischen Stabilität und Aktivität“, sagt Andreas Stierle, leitender Wissenschaftler bei DESY und Professor an der Universität Hamburg. „Die Oxidation schützt die Platinoberfläche teilweise vor weiterem Materialverlust, macht den Katalysator aber gleichzeitig weniger effizient. Solche Prozesse besser zu verstehen, ist entscheidend, um langlebigere Materialien für Elektrolyseure und Brennstoffzellen entwickeln zu können.“

Die Forschenden beobachteten außerdem, dass die Oxidation atomlagenweise verläuft und unter hohen Spannungen eine ungeordnete Schicht aus Platinoxid entsteht. Für die Experimente kombinierten die Forschenden erstmals drei komplementäre Röntgenmethoden, um parallel die atomare Struktur der Platinoberfläche, die Dicke der Oxidschicht und deren chemische Zusammensetzung zu untersuchen – und zwar unter realistischen Reaktionsbedingungen.

„Der entscheidende Fortschritt bestand darin, modernste Synchrotronstrahlung mit einer etablierten Methode der grundlegenden Elektrochemie zu kombinieren“, sagt Erstautor Leon Jacobse, der die Arbeiten am Centre for X-ray and Nano Science (CXNS) bei DESY durchführte. „Dadurch konnten wir Veränderungen auf atomarer Ebene verfolgen, während die Reaktion tatsächlich ablief.“

Vedran Vonk aus Andreas Stierles Team ergänzt: „Die neue Methoden-Kombination erlaubt uns, strukturelle Veränderungen von Katalysatoren unter praxisnahen Einsatzbedingungen in Echtzeit zu verfolgen. Dadurch können wir die Leistungsfähigkeit und Alterung der Materialien direkt miteinander verknüpfen.“

Ein entscheidender Schritt: Denn nur wer die winzigen Vorgänge auf der Ebene der Platin-Atome genau versteht, kann dem Alterungsprozess mit neuen Ideen entgegenwirken. Vedran Vonk ergänzt: „Das eröffnet auch für andere elektrochemische Prozesse neue Möglichkeiten, zum Beispiel auch für verschiedene Batterietechnologien, wo es ähnliche Probleme mit Alterung gibt.“

In zukünftigen Studien wollen die Forschenden untersuchen, wie sich Katalysatormaterialien näher an realen Anwendungen – etwa Platin-Nanopartikel – unter Betriebsbedingungen verändern. Langfristig sollen die Ergebnisse helfen, ressourcenschonendere und günstigere Materialien für Elektrolyseure zu entwickeln. So können effizientere und damit wirtschaftlichere Wasserstofftechnologien entwickelt werden.

An der Studie beteiligt waren Forschende des Centre for X-ray and Nano Science (CXNS) beim Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY, der Universität Hamburg, der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und der Justus-Liebig-Universität Gießen.