Röntgenblick in hocheffiziente Wasserspaltung
Detaillierte Analyse der Spaltung von Wassermolekülen zeigt Optimierungspotenzial
Untersuchungen mit den DESY-Röntgenlichtquellen PETRA III und FLASH zeigen den komplexen Ablauf der künstlichen Spaltung von Wassermolekülen an einem effizienten Katalysator. Ein Team um die leitende DESY-Wissenschaftlerin Simone Techert hat dazu die Wechselwirkung von Wasser mit einem Katalysator aus Perowskit beobachtet. Perowskite sind Mineralien, die für viele neue Anwendungen von Interesse sind und die besonders als Katalysatoren für die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff vielversprechend sind. Die Röntgenanalyse kann zur Optimierung der sauberen Produktion von so genanntem grünem Wasserstoff beitragen, der als möglicher klimafreundlicher Energieträger der Zukunft gilt. Die Untersuchung ist im Fachblatt „Accounts of Chemical Research“ veröffentlicht.
Der Perowskit LSMO, hier aus einem anderen Experiment in einer Solarzelle, kann die Wasserspaltung mit hohem Wirkungsgrad katalysieren. Dies hilft bei der Entwicklung von so genanntem 'grünem Wasserstoff' und 'grünem Sauerstoff'. Das Forscherteam beobachtete die Wechselwirkung zwischen LSMO und Wasser mit Hilfe der Röntgenspektroskopie, um besser zu verstehen, wie man die Effizienz weiter steigern kann.
DESY, Gesine Born
Die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff- und Sauerstoffgas ist eine komplexe Aufgabe. Vor allem die Bildung des Sauerstoffs erfordert viel Energie, da dieser Prozess mehr Zwischenschritte durchläuft als die Produktion von Wasserstoffgas. Denn der Sauerstoff hängt nicht nur sehr stark am Wasserstoff, sondern neigt aufgrund seiner Reaktivität auch zur Bildung von Oxid-Zwischenprodukten, die einen Großteil dieser Energie absorbieren, bevor der Sauerstoff schließlich als Gas freigesetzt wird. In den Zellen von Pflanzen und anderen Organismen, die Photosynthese betreiben, sind große und komplizierte Systeme damit beschäftigt, Wassermoleküle aufzuspalten. Diese biologischen Systeme sind die effizientesten Wasserspalter, die bekannt sind, ihre genauen Funktionen sind allerdings schwer zu entschlüsseln. Zudem bilden sie Glukosemoleküle anstelle von Wasserstoff- und Sauerstoffgas.
Die Elektrolyse, also die künstliche Spaltung von Wassermolekülen mit Hilfe von elektrischem Strom, hatte schon immer den Nachteil, dass sie sehr energieintensiv ist. Hier kommen die sogenannten Perowskite ins Spiel. Dabei handelt es sich um eine Klasse würfelförmiger Mineralien, die als Katalysatoren den Energiebedarf für die Wasserspaltung drastisch senken können. „Perowskite sind sehr nützlich, weil es relativ einfach ist, die funktionellen Atome in ihnen systematisch auszutauschen“, erläutert Ko-Autor Marcel Risch, Perowskit-Experte am Helmholtz-Zentrum Berlin.
Das Team untersuchte die Wirkung eines selbst hergestellten, künstlichen Perowskits mit der Bezeichnung LSMO. Es enthält Atome von Lanthan und Strontium in einem Kristallgitter aus Manganoxid. „Der von uns verwendete Perowskit verhält sich als Katalysator anders als erwartet“, sagt Techert. „Wir wollten herausfinden, warum er so effizient ist.“ Dazu verfolgten die Forscherinnen und Forscher den Ablauf der Reaktion mit Hilfe von Röntgenlicht.
Das Team verwendete eine spezielle Reaktionskammer, um die Bewegung der Elektronen zwischen den Wassermolekülen und dem Perowskit während einer Elektrolysereaktion zu beobachten. Die ChemRIXS genannte Kammer wurde bei DESY für Freie-Elektronen-Laser wie FLASH entwickelt, kann aber auch mit Synchrotron-Lichtquellen wie PETRA III verbunden werden. Das Team nutzte beide Lichtquellen, um seine Daten zu sammeln. Mit ChemRIXS lassen sich komplexe chemische Umgebungen mit einer Technik namens resonante inelastische Röntgenbeugung („Resonant Inelastic X-Ray Scattering“ auf Englisch) kombinieren, die die Bewegung von Elektronen sichtbar macht und damit die Grundlage chemischer Reaktionen.
Mit diesem Versuchsaufbau konnte das Team die Reaktion von Wasser an der Oberfläche des Perowskits verfolgen. Demnach halten die Atome im LSMO-Kristall das Mangan auf einem hohen positiven Ladungsniveau. Das ermöglicht es dem Mangan, den Sauerstoff aus den Wassermolekülen wegzuziehen. Dadurch konnten die beiden für die Elektrolyse verwendeten Elektroden sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff mit wesentlich weniger Energie erzeugen. Anstatt Oxide zu bilden, die große Mengen an Reaktionsenergie absorbieren, wird der Sauerstoff vom Mangan im LSMO adsorbiert. Im Laufe der Reaktion lockert das Mangan seinen Griff an den Sauerstoff, so dass dieser an sich selbst binden und Sauerstoffgas (O2) bilden kann. Dieser Prozess läuft mit geringerer Energie ab, als wenn sich Oxide gebildet hätten.
„LSMO ist aufgrund seiner Materialeigenschaften eines der bevorzugten Elektrodenmaterialien für die Sauerstoffproduktion bei der Wasserspaltung“, sagt Techert. „Die Sauerstoffproduktion ist eine vierstufige Reaktion, die schwierig zu realisieren ist, wenn man einen geringen Energieverbrauch anstrebt. In den Experimenten konnten wir beobachten, welche Zwischenprodukte sich an der LSMO-Oberfläche mit Wasser bilden, bevor der Sauerstoff entsteht - dieses Wissen kann helfen, einen ohnehin schon effizienten Prozess durch gezielte Materialänderungen noch effizienter zu machen.“
Um die Effizienz des Sauerstoffprozesses zu verbessern, löste das Team Kaliumhydroxid im Wasser, wodurch es alkalischer wurde. Das alkalischere Wasser lässt die Elektrolysereaktion den Beobachtungen zufolge effizienter ablaufen, da es mehr freie Ionen liefern kann. „Dies ist Pionierforschung, bei der wir untersuchen, was überhaupt möglich ist“, sagt Risch. In zukünftigen Experimenten will das Team mit denselben Methoden die Dynamik der Wasserstoff- und Sauerstoffprozesse analysieren.
An der Forschung waren Forscherinnen und Forscher der Georg-August-Universität Göttingen und des Helmholtz-Zentrums Berlin, des Paul-Scherrer-Instituts und der Firma XRnanotech in der Schweiz sowie von DESY beteiligt.
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