de.wedoany.com-Bericht: Einem Forschungsteam des Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) ist es mithilfe der PETRA III-Röntgenquelle erstmals gelungen, in Echtzeit zu beobachten, wie sich auf einer Platinoberfläche unter Spannung in Kontakt mit einem wässrigen Elektrolyten eine Oxidschicht bildet. Diese Entdeckung könnte zur Entwicklung langlebigerer Wasserstofftechnologien beitragen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.
Platin ist ein Schlüsselmaterial in Elektrolyseuren und Brennstoffzellen, da es die für die Wasserstoffproduktion oder Stromerzeugung notwendigen chemischen Reaktionen beschleunigt. Unter hohen Spannungen verändert sich jedoch die Materialoberfläche, wodurch die katalytische Aktivität mit der Zeit nachlässt. Das Forschungsteam setzte drei komplementäre hochauflösende Röntgenmethoden ein, um parallel auf atomarer Ebene die atomare Struktur der Platinoberfläche, die Dicke der Oxidschicht und ihre chemische Zusammensetzung zu untersuchen – und zwar in Echtzeit unter realen Reaktionsbedingungen.
Die Messergebnisse zeigen, dass sich auf der Platinoberfläche in Abhängigkeit von der angelegten Spannung schrittweise eine dünne Oxidschicht bildet, die auch die innere Struktur des Materials verändert. Der Oxidationsprozess erfolgt Atomlage für Atomlage; unter hohen Spannungen entsteht eine ungeordnete Platinoxidschicht. „Wir sehen ein Gleichgewicht zwischen Stabilität und Aktivität“, erklärt Andreas Stierle, leitender Wissenschaftler am DESY und Professor an der Universität Hamburg. „Die Oxidschicht schützt die Platinoberfläche teilweise vor weiterem Materialverlust, verringert aber gleichzeitig die Effizienz des Katalysators. Ein besseres Verständnis dieser Prozesse ist entscheidend für die Entwicklung langlebigerer Materialien für Elektrolyseure und Brennstoffzellen.“
Leon Jacobse, Erstautor der Studie und ehemaliger Mitarbeiter am DESY-Zentrum für Röntgen- und Nanowissenschaften (CXNS), betont, dass der entscheidende Fortschritt in der Kombination modernster Synchrotronstrahlung mit etablierten Methoden der elektrochemischen Grundlagenforschung liegt. Dies ermöglichte es, atomare Veränderungen zu verfolgen, während die Reaktion tatsächlich stattfand. Vedran Vonk aus dem Team von Andreas Stierle ergänzt, dass diese neue Methodenkombination es erlaubt, strukturelle Veränderungen des Katalysators unter nahezu realen Einsatzbedingungen in Echtzeit zu verfolgen und so die Leistungsfähigkeit des Materials direkt mit Alterungsprozessen zu verknüpfen.
Die Forscher betonen, dass nur ein genaues Verständnis der atomaren Vorgänge auf der Platinoberfläche neue Ansätze zur Bekämpfung von Alterungsprozessen ermöglicht. Vedran Vonk sieht darin auch neue Möglichkeiten für andere elektrochemische Prozesse, wie etwa Batterietechnologien, die unter ähnlichen Alterungsproblemen leiden. Zukünftige Forschungen werden sich auf praxisnähere Katalysatormaterialien wie Platin-Nanopartikel unter Betriebsbedingungen konzentrieren. Das langfristige Ziel ist es, ressourcenschonendere und kostengünstigere Materialien für Elektrolyseure zu entwickeln und so effizientere und wirtschaftlichere Wasserstofftechnologien voranzutreiben.
An der Studie beteiligt waren das DESY-Zentrum für Röntgen- und Nanowissenschaften (CXNS), die Universität Hamburg, die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und die Justus-Liebig-Universität Gießen.
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