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Forschende um Dandan Gao von der Johannes Gutenberg-Universtät Mainz erstellen Kernkonzept für die Entwicklung selbstaktivierender Katalysatoren zur grünen Wasserstoffproduktion / Veröffentlichung in Advanced Energy Materials
In welchem Ausmaß steigern selbstaktivierende Katalysatoren die Wasserstoffproduktion in Elektrolyseuren? Das haben Forschende der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz (JGU) untersucht, ihre Ergebnisse sind vor kurzem im renommierten Wissenschaftsmagazin Advanced Energy Materials veröffentlicht worden. „Diese Katalysatoren optimieren sich selbst und werden im Laufe der Anwendung besser“, erläutert Dr. Dandan Gao vom Department Chemie der JGU. „Wir sind daher davon überzeugt, dass sie ein neues Paradigma für die Wasserstoffproduktion aufzeigen.“ In ihrem Übersichtsartikel bündeln die Forschenden erstmalig die Kernmerkmale der Selbstaktivierung – dafür haben sie 33 veröffentlichte Arbeiten zur Sauerstoffentwicklungsreaktion und 17 zur Wasserstoffentwicklungsreaktion detailliert analysiert. Dabei quantifizieren sie nicht nur die Verbesserung durch die neuen Katalysatoren, sondern beleuchten auch die dahinterstehenden Mechanismen und benennen die treibende Kraft für die Leistungssteigerung. „Die selbstaktivierenden Elektrokatalysatoren haben das Potenzial, eine skalierbare, kostengünstige und nachhaltige Wasserstoffproduktion voranzutreiben“, sagt Gao.
Ganzheitliche Betrachtung der Reaktion
Zur Herstellung von grünem Wasserstoff kommen Elektrolyseure zu Einsatz, die Wasser mit Hilfe von grünem Strom an zwei Elektroden in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten. Katalysatoren lassen diese Reaktion möglichst effizient ablaufen. Selbstaktivierende Katalysatoren, mit denen die Elektroden beschichtet werden und die aus zahlreichen verschiedenen Substanzen bestehen können, zeigen dabei einzigartige, interessante Eigenschaften: Ihre Leistung verbessert sich während des Betriebs kontinuierlich. „Allerdings war das Verständnis, wie sich die Struktur der Katalysatoren auf ihre Leistung auswirkt, bislang begrenzt“, sagt Gao. Die meisten Untersuchungen hätten sich bisher nämlich nur mit einer Halbreaktion befasst: der Sauerstoffentwicklungsreaktion. „Unsere Übersicht betrachtet erstmals beides, das Katalysatordesign für die Sauerstoffentwicklungsreaktion und für die Wasserstoffentwicklungsreaktion“, sagt Gao.
Änderung der Katalysatorzusammensetzung und -struktur
Doch woran liegt es, dass sich die Leitung des Katalysators verbessert? Gao und ihr Team fanden heraus: Aufgrund von Diffusion organisiert sich das Material des Katalysators während der Nutzung neu. „Es diffundiert jeweils etwas Material aus dem Wasser und der Elektrode in den Katalysator und umgekehrt – die verschiedenen Materialien mischen sich also ein Stück weit. Diese Neuorganisation ist einer der Gründe für die Effizienzsteigerung“, erläutert Gao. Zudem greifen Salze, die sich natürlicherweise im Wasser befinden, die Oberfläche des Elektrokatalysators an und lassen die Oberfläche im Sinne der gewünschten Reaktion aktiver und leistungsfähiger werden. Doch dringen nicht nur andere Materialien in die Katalysatorschicht ein, sondern sie verändert auch ihre Nanostruktur – ein weiterer Grund für die Selbstoptimierung des Katalysators. „Die Oberfläche des Katalysators wird durch die elektrische Katalyse im Laufe der Zeit rauer und somit größer. Es werden mehr aktive Bereiche freigelegt, was die Effizienz des Katalysators abermals erhöht“, sagt Gao.
Orientierung für die nächsten Forschungsschritte
Die Forschenden blicken in ihrer Veröffentlichung auch in die nahe Zukunft. „Um Forschenden eine Orientierungshilfe für die nächsten Schritte zu geben, skizzieren wir basierend auf den aktuellen Forschungsergebnissen die zukünftige Richtung, um eine nachhaltige Wasserstoffproduktion zu beschleunigen“, sagt Gao. Wo klaffen Wissenslücken, die im Zuge einer skalierbaren, kostengünstigen und nachhaltigen Wasserstoffproduktion geschlossen werden sollten? Die Forschenden legen außerdem die Basis, um die fallabhängige Betrachtung in ein standardisiertes Protokoll zu überführen und die Forschungen somit effizienter zu gestalten. So etwa mit einer Tabelle, in der unter anderem Reaktionsmechanismen und Erkenntnisse standardisiert protokolliert werden können.
Weiterhin erörtern Gao und ihr Team neue Ansätze zur Elektrolyse mit selbstaktivierenden Katalysatoren. Etwa die Meerwasserelektrolyse, bei der statt Frischwasser Meerwasser als Elektrolyt verwendet wird. Üblicherweise ist dies schwierig, da die im Meerwasser enthaltenen Chloridionen den Katalysator angreifen und schädigen. Im Fall von selbstaktivierenden Katalysatoren hingegen ist der Angriff von Chloridionen aus dem Meerwasser auf die Elektrode beziehungsweise die Katalysatoroberfläche vorteilhaft: Anstatt Schäden zu verursachen, können die Ionen mit der Materialoberfläche so interagieren, dass diese stabiler und die Katalysatorleistung effizienter wird. Das ist darauf zurückzuführen, dass die Ionen die elektronische Struktur und das Reaktionsverhaltens des Materials gezielt beeinflussen. „Wir hoffen, die selbstaktivierenden Katalysatoren in naher Zukunft fit werden zu lassen für die industrielle Anwendung“, sagt Gao, „und die Wasserstoffproduktion kostengünstiger und nachhaltiger zu gestalten“.
Dr. Dandan Gao
Department Chemie
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. 06131 39-28870
E-Mail: dandan.gao@uni-mainz.de
https://www.dgaolab.net/
C. Nickel, B. F. Mohazzab, K. Torabi et al., Self-Activating Electrocatalysts for Water Splitting: Advancing Structure–Performance Understanding and Beyond, Advanced Energy Materials, 20. April 2026,
DOI: 10.1002/aenm.202506766
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202506766
https://presse.uni-mainz.de/nachhaltige-und-effiziente-produktion-von-ammoniak-u... – Pressemitteilung „Nachhaltige und effiziente Produktion von Ammoniak und Ameisensäure“ (05.02.2026)
https://presse.uni-mainz.de/duenger-aus-luft-und-wasser-gewinnen/ – Pressemitteilung „Dünger aus Luft und Wasser gewinnen“ (31.10.2025)
Vier der Autorinnen und Autoren des aktuellen Übersichtsartikels: Dr. Dandan Gao (vorn) mit Kiarash ...
Source: Foto: Jovana Colic
Criteria of this press release:
Business and commerce, Journalists, Scientists and scholars, Students
Chemistry, Energy, Oceanology / climate
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
Vier der Autorinnen und Autoren des aktuellen Übersichtsartikels: Dr. Dandan Gao (vorn) mit Kiarash ...
Source: Foto: Jovana Colic
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