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Wenn erneuerbare Energien eines Tages fossile Brennstoffe ersetzen sollen, müssen die Ingenieurfachleute einen Weg finden, sie zuverlässig und in grossem Massstab zu speichern. Eine Methode, die derzeit von zahlreichen Forschenden untersucht wird, ist die Speicherung der Energie in gasförmiger Form in Elektrolysezellen.
Elektrolysezellen arbeiten mit Strom, der eine Elektrolysereaktion auslöst, bei der Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden. Die Elektrizität kann dann durch Umkehrung der Reaktion und Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser zurückgewonnen werden.
Während der Reaktion können die Teilchen Wasser anziehen oder umgekehrt abstossen © S. Yoon, TH Shen, V. Tileli
Verstehen, wie Katalysatoren funktionieren
Katalysatoren werden verwendet, um elektrokatalytische Reaktionen zu beschleunigen, ohne dabei verbraucht zu werden. Die Katalysatoren, die für die Wasserelektrolyse verwendet werden, sind Metalloxide, von denen einige besser funktionieren als andere – auch wenn der genaue Grund dafür noch nicht bekannt ist: «Wir konnten feststellen, dass einige Oxide bei der Wasserelektrolyse besonders effektiv, robust und stabil sind», sagt Vasiliki Tileli, Assistenzprofessorin und Leiterin des EPFL-Labors für die in situ-Charakterisierung von Nanomaterialien mit Elektronen. «Aber wir können nicht wirklich erklären, warum diese Oxide besser funktionieren, da wir nicht genau wissen, was mit dem Katalysator während der Reaktion passiert.»
Ein Katalysator der neuen Generation
Um dies herauszufinden, beobachteten Tileli und Tzu-Hsien Shen, ein Doktorand in ihrem Labor, die Reaktionen der Wasserelektrolyse unter dem Elektronenmikroskop und untersuchten, wie sich der Katalysator während des gesamten Prozesses verhält, indem sie Bilder im Nanomassstab erstellten. Sie verwendeten einen Oxidkatalysator vom Perowskit-Typ namens BSCF: «Das ist ein faszinierender Katalysator mit aussergewöhnlichen Wasserspaltungseigenschaften», sagt Tileli, «die meisten der derzeit verwendeten Katalysatoren, wie die aus Iridium und Ruthenium, sind zwar effektiv, aber sehr teuer und ihr Angebot ist begrenzt. Es müssen also Alternativen gefunden werden.»
Tileli und Shen zeichneten Echtzeitbilder von BSCF-Partikeln während jedes Schritts des Elektrolysezyklus auf. Sie sahen, wie molekularer Sauerstoff erschien, was bedeutet, dass die Reaktion stattfand, und bestätigten, dass der Prozess reversibel ist. Sie sahen auch, dass BSCF besonders robust ist.
Oberflächen, die von hydrophob zu hydrophil wechseln
Darüber hinaus stellte das Forschungsteam fest, dass sich die Oberflächenatome der Partikel während der Reaktion umverteilen und die Oberflächeneigenschaften verändern. Infolgedessen interagieren die Partikel bei verschiedenen Schritten des Elektrolysezyklus unterschiedlich mit ihrer Umgebung. Bei einigen Schritten ist die Oberfläche hydrophob (d. h. wasserabweisend), während sie bei anderen hydrophil (d. h. wasseranziehend) ist. «Diese Beobachtungen sind einzigartig», sagt Tileli, «wir hatten vermutet, dass sich die Oberfläche der Partikel verändern könnte, aber dies wurde noch nie zuvor im nanoskopischen Massstab und in Echtzeit beobachtet.» Die Fähigkeit eines Materials, zwischen dem hydrophoben und dem hydrophilen Zustand hin und her zu wechseln, ist für Ingenieurfachleute sehr wertvoll und kann in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, wie z. B. in Sensoren, Wasserreinigungssystemen und selbstreinigenden Oberflächen. Die Ergebnisse der Forschenden wurden in Nature Catalysis veröffentlicht.