Forscher der Königlich Technischen Hochschule Stockholm berichten, dass ihre neuen Einblicke in die atomare Funktionsweise von Katalysatoren die Wasserstoffproduktionstechnologie in Richtung höherer Effizienz und Nachhaltigkeit vorantreiben könnten.

Die Wasserelektrolyse ist einer der Schlüsselprozesse zur Wasserstofferzeugung und erfordert typischerweise Katalysatoren, um den Energieverbrauch zu senken. Die strukturelle Komplexität herkömmlicher Nickel-Eisen-Oxid-Katalysatoren macht jedoch die genaue Beobachtung ihrer Reaktionsmechanismen auf atomarer Ebene herausfordernd. Das Forschungsteam entwickelte ein molekulares Gerüst, das Nickel- und Eisenatome in bestimmten Positionen fixieren kann, wodurch eine detaillierte Beobachtung der Kernschritte der Reaktion ermöglicht wird. Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift *Nature Chemistry* veröffentlicht.

Die Studie wurde von Prof. Lichen Sun von der KTH geleitet, unter Beteiligung von Prof. Mårten Ahlquist und dem Doktoranden Hao Yang. Durch die molekulare Gerüsttechnologie konnten die Forscher Schlüsselschritte wie den Protonentransfer beobachten. Prof. Lichen Sun erklärte: "Das molekulare Gerüst ermöglichte es uns schließlich, den Ablauf des Protonentransfers zu beobachten. Diese Entdeckung erklärt, warum Nickel und Eisen so effektiv zusammenarbeiten und wie wir ihre Wirkung noch verstärken können."

Die Studie ergab, dass eine spezifische Anordnung und ein bestimmter Abstand zwischen Eisen- und Nickelatomen den Sauerstoffentwicklungsschritt fördern – einen schwierigen Schritt im Wasserspaltungsprozess. Gleichzeitig identifizierte die Forschung geeignete pH-Bedingungen, die die Reaktion beschleunigen und gleichzeitig den Elektronentransfer synchron halten. Der entwickelte Katalysator blieb auch nach längerem Betrieb stabil.

Die Forscher weisen darauf hin, dass ein direkter quantitativer Vergleich ihres Katalysators mit herkömmlichen, modernsten Katalysatoren aufgrund systembedingter Unterschiede schwierig ist, jedoch zeigt seine katalytische Aktivität bei ähnlicher Spannung eine Größerordnung der Steigerung. Prof. Ahlquist sagte: "Das ist wichtig, weil eine höhere Umsatzrate Energieverluste und Betriebszeiten reduzieren und somit die Kosten pro Kilogramm Wasserstoff senken kann."

Diese Grundlagenforschung verbindet die praktische Katalysatorleistung mit dem molekularen Verständnis der Mechanismen und liefert Ansätze für die Entwicklung leistungsstärkerer und langlebigerer Katalysatormaterialien der nächsten Generation. Für die Wasserstoffproduktion bedeutet dies die Aussicht auf eine effizientere Erzeugung sauberer Energie. Prof. Ahlquist fasste zusammen: "Unsere Forschungsergebnisse verbinden reale Nickel-Eisen-Oxid-Katalysatoren mit einem detaillierten Verständnis der molekularen Struktur. Dies ebnet den Weg für die Entwicklung leistungsfähigerer und langlebigerer Materialien der nächsten Generation."

Weitere Informationen: Hao Yang et al., Intramolecular Proton Transfer in Metal Hydroxide-Mediated Heterogeneous O–O Bond Formation, *Nature Chemistry* (2025). Zeitschrifteninformation: Nature Chemistry