Elektrolyseure erzeugen Wasserstoff. Brennstoffzellen nutzen Wasserstoff, um elektrischen Strom zu erzeugen. Beide Geräte gelten als Schlüsseltechnologien der Energiewende, da sie gut erprobte Lösungen für die Speicherung, den Transport und die Produktion erneuerbarer Energien bieten. Allerdings verlieren die dabei oft genutzten Platin-Katalysatoren unter hoher Belastung mit der Zeit an Leistungsfähigkeit. Sie „verschleißen“ sozusagen zu schnell, wodurch sich die Kosten aller Wasserstofftechnologien erhöhen. Ein internationales Forschungsteam hat diese Veränderungen nun mithilfe hochauflösender Röntgenmethoden an der Röntgenquelle PETRA III bei DESY auf atomarer Ebene untersucht. Die Messungen zeigen, dass sich abhängig von der elektrischen Spannung schrittweise eine dünne Oxidschicht auf der Platinoberfläche bildet, wodurch sich die innere Struktur des Materials verändert.
Der Spagat zwischen Stabilität und Effizienz
„Wir sehen hier einen Balanceakt zwischen Stabilität und Aktivität“, sagt Andreas Stierle, leitender Wissenschaftler bei DESY und Professor an der Universität Hamburg. „Die Oxidation schützt die Platinoberfläche teilweise vor weiterem Materialverlust, macht den Katalysator aber gleichzeitig weniger effizient. Solche Prozesse besser zu verstehen, ist entscheidend, um langlebigere Materialien für Elektrolyseure und Brennstoffzellen entwickeln zu können.“
Die Forschenden beobachteten außerdem, dass die Oxidation atomlagenweise verläuft und dass sich unter hohen Spannungen eine ungeordnete Schicht aus Platinoxid bildet. Für die Experimente kombinierten die Forschenden erstmals drei komplementäre Röntgenmethoden, um die atomare Struktur der Platinoberfläche, die Dicke der Oxidschicht und deren chemische Zusammensetzung parallel und unter realistischen Reaktionsbedingungen zu untersuchen.
Echtzeit-Analyse: Methode als Durchbruch
„Der entscheidende Fortschritt bestand darin, modernste Synchrotronstrahlung mit einer etablierten Methode der grundlegenden Elektrochemie zu kombinieren“, sagt Erstautor Leon Jacobse, der die Arbeiten am Centre for X-ray and Nano Science (CXNS) bei DESY durchführte. „Dadurch konnten wir Veränderungen auf atomarer Ebene verfolgen, während die Reaktion tatsächlich ablief.“ Vedran Vonk aus dem Team von Andreas Stierle ergänzt: „Die neue Methoden-Kombination erlaubt es uns, strukturelle Veränderungen von Katalysatoren unter praxisnahen Einsatzbedingungen in Echtzeit zu verfolgen. Dadurch können wir die Leistungsfähigkeit und Alterung der Materialien direkt miteinander verknüpfen.“
Dies ist ein entscheidender Schritt, denn nur wer die winzigen Vorgänge auf der Ebene der Platin-Atome genau versteht, kann dem Alterungsprozess mit neuen Ideen entgegenwirken. Vonk fügt hinzu: „Das eröffnet auch für andere elektrochemische Prozesse neue Möglichkeiten, zum Beispiel für verschiedene Batterietechnologien,wo es ähnliche Probleme mit der Alterung gibt.“
Günstigere Materialien und eine effizientere Wasserstofftechnologie
In zukünftigen Studien wollen die Forschenden untersuchen, wie sich Katalysatormaterialien – etwa Platin-Nanopartikel – näher an realen Anwendungen unter Betriebsbedingungen verändern. Langfristig sollen die Ergebnisse dabei helfen, ressourcenschonendere und günstigere Materialien für Elektrolyseure zu entwickeln. So können effizientere und damit wirtschaftlichere Wasserstofftechnologien entstehen.
