Damit die Herstellung von grünem Wasserstoff Fahrt aufnehmen kann, braucht es vor allem eines: Nanopartikel, die als Katalysatoren den Prozess der Wasserspaltung in Sauerstoff und Wasserstoff steuern. Günstig, effektiv und umweltverträglich sollten die Partikel sein – und würfelförmig. Das haben Forschende einer Kooperation innerhalb der UA Ruhr unter Beteiligung der Ruhr-Universität Bochum und der Universität Duisburg-Essen nun herausgefunden. Ihr Beweis darüber, dass würfelförmige Nanopartikel wesentlich effektiver sind als kugelförmige, ebnet den Weg zum gezielten Design effizienter Katalysatoren für grünen Wasserstoff. Über ihre Ergebnisse berichteten sie im Fachjournal Advanced Functional Materials*.

Edelmetalle wie Platin oder Iridium sind selten und teuer, bisher aber die effektivsten Katalysatoren für die Herstellung von grünem Wasserstoff. Ein Team um Prof. Dr. Kristina Tschulik (RUB) und Prof. Dr. Rossitza Pentcheva (UDE) haben es sich zur Aufgabe gemacht, das zu ändern. Im Fokus der Forschenden: Oxid-Nanopartikel aus unedlem Metall, wie etwa Kobaltoxid. Sie kommen als Katalysatoren für die Halbreaktion der Wasserspaltung in Frage, nämlich für die Bildung von Sauerstoff. „Die Sauerstoffentwicklung als Teilreaktion der sogenannten Wasserelektrolyse ist wesentlich komplexer als die Wasserstoffentwicklung und stellt so einen Flaschenhalseffekt für die Herstellung von grünem Wasserstoff dar “ sagt Pentcheva.

Das Team rund um Kristina Tschulik hat eine Methode entwickelt, mit der einzelne Partikel direkt in Lösung analysiert werden können. Dadurch lässt sich die Aktivität von verschiedenen Nanomaterialien miteinander vergleichen und somit aufklären, welchen Einfluss Partikeleigenschaften, etwa ihre Form und Zusammensetzung, auf die Wasserspaltung haben. Das Ergebnis: Die Oberfläche von würfelförmigen Kobaltoxid- Nanopartikeln ist bei der Bildung von Sauerstoff wesentlich aktiver, als es die Oberflächen ihrer kugelförmigen Pendants sind.

Durch quantenmechanische Simulationen, unter anderem am Supercomputer an der UDE, liefert das Team um Rossitza Pentcheva eine Erklärung für das Phänomen und eine tiefere Einsicht in den zugrundeliegenden Mechanismen: Die höhere katalytische Aktivität der kubischen Nanopartikel im Vergleich zu den kugelförmigen liegt an den unterschiedlichen aktiven Zentren an den beiden Oberflächen. „Das Verständnis auf der atomaren Ebene, wie die kristallographische Orientierung der Oberfläche und die katalytische Aktivität zusammenhängen, ist die Grundlage für das gezielte Design neuer Katalysatoren“, sagt Physikerin Pentcheva.

* Zur Originalveröffentlichung: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202370006