Die Industrie ist auf Kohlen­wasser­stoffe und andere chemische Grundstoffe angewiesen, die bisher aus fossilen Ressourcen gewonnen werden. Solche Grundstoffe können im Prinzip mit Hilfe elektro­katalytisch aktiver Materialien und erneuerbar erzeugter Energie auch aus Wasser und Kohlen­dioxid hergestellt werden. Derzeit bestehen diese Katalysator­materialien jedoch entweder aus teuren und seltenen Materialien oder sind nicht effizient genug.

Ein Team um Prashanth Menezes vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie hat jetzt Einblicke in die Struktur und die Chemie eines der aktivsten Katalysatoren für die anodische Sauerstoff­entwicklungs­reaktion gewonnen. Das ist eine Schlüssel­reaktion bei der Wasser­spaltung, die Elektronen für die Wasserstoff­entwicklungs­reaktion bereit stellt. Der Wasserstoff kann dann zum Beispiel zu Kohlen­wasser­stoffen weiter verarbeitet werden. Darüber hinaus spielt die Sauerstoff­entwicklungs­reaktion auch bei der direkten elektro­katalytischen Reduktion von Kohlendioxid zu Alkoholen oder Kohlen­wasser­stoffen eine zentrale Rolle.

Eine viel­ver­sprechende Klasse von Elektro­katalysatoren für die Sauerstoff­entwicklungs­reaktion sind Kobalt-Eisen-Oxyhydroxide. Das Forschungs­team analysierte eine Reihe von helikalen LiFe1-xCox-Boro­phosphaten an BESSY II, die sich während der Sauerstoff­entwicklungs­reaktion zu aktiven Kobalt-Eisen-Oxyhydroxiden umstruk­turieren. Mit verschiedenen in-situ-Spektro­skopie­techniken gelang es, die Oxidations­stufen der Element Eisen und Kobalt zu bestimmen.

Eisen spielt eine wichtige Rolle in Sauerstoff­entwicklungs­reaktions-Katalysatoren auf Kobalt-Basis. Der genaue Grund dafür ist jedoch umstritten. Die meisten Studien gehen davon aus, dass Eisen in niedrigeren Oxidations­stufen Teil der aktiven Struktur ist. „In unserem Fall konnten wir jedoch Eisen in Oxidations­stufen größer als 4 nachweisen, und außerdem zeigen, dass sich Bindungs­abstände deutlich verkürzt haben. Damit können wir das katalytisch aktive Zentrum deutlich genauer verstehen", berichtet Menezes.

Elektrokatalysatoren ermöglichen den Ladungstransfer vom Substrat – hier Wasser – zu den Elektroden, was meist mit einer Änderung der Oxidations­stufen der Übergangs­metalle einhergeht. Diese Veränderungen des Oxidations­zustands sind jedoch manchmal zu schnell, um erkannt zu werden. Dies macht es schwierig, das Funktions­prinzip des Katalysators zu verstehen, insbesondere wenn er zwei potenziell aktive Elemente wie Eisen und Kobalt enthält. „Wir hoffen, dass die detail­lierte elektronische und strukturelle Beschreibung wesentlich zur Verbesserung von Sauerstoff­entwicklungs­reaktions-Katalysatoren beitragen kann", sagt Menezes.

HZB / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  L. Reith et al.: In Situ Detection of Iron in Oxidation States ≥ IV in Cobalt-Iron Oxyhydroxide Reconstructed during Oxygen Evolution Reaction, Adv, Energy Mat., online 2. Februar 2023; DOI: 10.1002/aenm.202203886
• CatLab – Catalysis Laboratory, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH