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16.10.2024 10:43

Mechanismus von Cobalt-Mangan-Katalysatoren entschlüsselt

Dr. Julia Weiler Dezernat Hochschulkommunikation
Ruhr-Universität Bochum

    Herkömmliche Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse beinhalten in der Regel Edelmetalle und sind teuer. Mittlerweile sind aber auch günstigere Alternativen bekannt, zum Beispiel Cobalt-Mangan-Katalysatoren. Sie haben eine hohe Aktivität und sind über lange Zeit stabil. Entscheidend dafür ist der Mangan-Anteil. Warum das so ist, war lange unklar. Den Mechanismus haben Forschende der Ruhr-Universität Bochum, der Max-Planck-Institute für Nachhaltige Materialien und für Chemische Energiekonversion, des Forschungszentrums Jülich und der Universität Duisburg-Essen entschlüsselt.

    Sie berichten über die Ergebnisse in der Zeitschrift Advanced Energy Materials vom 7. Oktober 2024.

    Kombination verschiedener Methoden war Schlüssel zum Erfolg

    Wasserstoff kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung aus Wasser gewonnen werden; es entstehen Wasserstoff und Sauerstoff. Der limitierende Schritt bei dieser Reaktion ist die Sauerstoffproduktion, sodass Forschende auf der Suche nach den optimalen Katalysatoren dafür sind. Cobalt-Elektrokatalysatoren mit einer bestimmten geometrischen Struktur, der sogenannten Spinell-Struktur, sind normalerweise nicht sehr effizient und auch nicht langzeitstabil. Das ändert sich jedoch, wenn sie Mangan enthalten.

    Was genau an der Oberfläche der Katalysatoren bei der Elektrolyse von Wasser passiert, hat das Forschungsteam mit verschiedenen Methoden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 247 „Heterogeneous Oxidation Catalysis in the Liquid Phase“ untersucht. „Der Zusammenschluss der Institute hat es uns ermöglicht, die Vorgänge an der Elektrodenoberfläche mit verschiedenen Methoden zu beobachten – und diese Kombination war der Schlüssel zum Erfolg“, sagt Prof. Dr. Tong Li, Leiterin der Atomic-Scale Characterisation an der Ruhr-Universität Bochum. Sie selbst ist Expertin für Atomsondentomografie, eine Methode, die hilft, die räumliche Verteilung von Materialien Atom für Atom sichtbar zu machen. Das Team kombinierte dieses Verfahren mit der Transmissionselektronen-Mikroskopie, einer besonderen Form von Röntgenabsorptions-Spektroskopie (x-ray fine structure absorption) und der Röntgenphotoelektronen-Spektroskopie.

    Einsteigen, aussteigen: Wie ein Passagier im Bus

    Die Gruppe zeigte, dass das Mangan sich während der Reaktion aus der Cobalt-Spinell-Oberfläche löst und dann wieder an diese anlagert. „Es ist wie ein Passagier im Bus, der immer wieder ein- und aussteigt“, veranschaulicht Tong Li.

    Förderung

    Die Arbeiten wurden gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Sonderforschungsbereichs/Transregios 247 (Projektnummer 388390466) sowie des Exzellenzclusters Ruhr Explores Solvation (RESOLV, EXC 2033–390677874). Weitere Unterstützung stammte aus dem Max Planck Fellowship Programme.


    Wissenschaftliche Ansprechpartner:

    Prof. Dr. Tong Li
    Atomic-Scale Characterisation
    Institut für Werkstoffe
    Fakultät für Maschinenbau
    Ruhr-Universität Bochum
    Tel.: +49 234 32 26099
    E-Mail: tong.li@ruhr-uni-bochum.de


    Originalpublikation:

    Biao He et al.: Effects of Dynamic Surface Transformation on the Activity and Stability of Mixed Co-Mn Cubic Spinel Oxides in the Oxygen Evolution Reaction in Alkaline Media, in: Advanced Energy Materials, 2024, DOI: 10.1002/aenm.202403096, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202403096


    Bilder

    Biao He bereitet eine Probe für die Atomsondentomografie vor. Diese  Methode kann verwendet werden, um die räumliche Verteilung in der Oberfläche eines Elektrokatalysators Atom für Atom sichtbar zu machen.
    Biao He bereitet eine Probe für die Atomsondentomografie vor. Diese Methode kann verwendet werden, ...

    RUB, Kramer

    Bochumer Forschungsteam: Dr. Pouya Hosseini, Prof. Dr. Kristina Tschulik, Prof. Dr. Tong Li und Biao He (von links)
    Bochumer Forschungsteam: Dr. Pouya Hosseini, Prof. Dr. Kristina Tschulik, Prof. Dr. Tong Li und Biao ...

    RUB, Kramer


    Merkmale dieser Pressemitteilung:
    Journalisten
    Chemie, Werkstoffwissenschaften
    überregional
    Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
    Deutsch


     

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