Neuer Katalysator lässt Wasserstoff sprudeln

Original-Katalysator (links) und die Wiener Variante (Illustration: tuwien.at)

Wien/Wuhan (pte016/28.11.2024/11:30) - Forscher der Technischen Universität Wien ( https://www.tuwien.at/ ) haben einen neuen Katalysator zur Herstellung von Wasserstoff entwickelt. Sonnenlicht kann Wasser spalten, elektrischer Strom auch. In beiden Fällen entstehen Wasser und Sauerstoff, und in beiden Fällen sind Spezialkatalysatoren nötig, die die ansonsten träge Reaktion beschleunigen. Forschungsleiter Dominik Eder und sein Schüler Zheao Huang nutzen Licht und Strom gemeinsam - denn das geht schneller und energiesparender, sagen sie.

Organik und Anorganik

Zu den wichtigsten Kriterien für einen solche Reaktionsbeschleuniger gehören eine große Oberfläche für die Adsorption und Aufspaltung von Wassermolekülen sowie eine lange Haltbarkeit. Sogenannte Zeolithische Imidazolatgerüste (ZIF) erfüllen beide Anforderungen. Sie ähneln Metallorganischen Gerüsten. Beide bestehen sowohl aus organischen, also kohlenstoffhaltigen Molekülen, und anorganischen. ZIF bestehen aus Metall-Ionen, beispielsweise Kobalt-Ionen, die durch spezifische organische Moleküle, die sogenannten Liganden, miteinander verbunden sind. Sie sind mit unzähligen Poren ausgestattet, haben also eine riesige innere Oberfläche, die für die Adsorption und Spaltung von Wasser Platz bietet.

"Diesen ZIFs fehlt es jedoch in Wasser unter elektrokatalytischen Bedingungen an Stabilität, sodass sie nur kurzlebig sind. Außerdem schränkt ihre eher geringe elektronische Leitfähigkeit ihre Wirksamkeit in elektrokatalytischen Anwendungen ein", unterstreicht Eder. Dieses Problem haben die Physiker gelöst, indem sie nicht einen Liganden einsetzen, sondern zwei oder noch mehr. "Dabei war es entscheidend, die Liganden so zu miteinander zu vermischen, dass eine gleichmäßige Verteilung im gesamten Gerüst entsteht und gleichzeitig die ursprüngliche ZIF-Struktur erhalten bleibt", ergänzt Huang.

Liganden ergänzen sich

Die Wissenschaftler haben eine Reihe von Liganden untersucht und zwei herausgefunden, die, miteinander vermischt, die Wasserspaltung optimal beschleunigen - nicht zuletzt, weil die elektrische Leitfähigkeit um das Zehnfache anstieg. Welche Materialien es sind, bleibt vorläufig ein Geheimnis. Durch eingehende Untersuchungen mit einer breiten Palette experimenteller spektroskopischer und mikroskopischer Techniken, unterstützt durch rechnerische Theorien in Zusammenarbeit mit der Central China Normal University ( https://english.ccnu.edu.cn/ ), stellte das Team fest, dass die präzise Mischung der beiden Liganden die Bindung mit dem Kobaltmetall verstärkte, sodass das poröse Gerüst während der photoelektrokatalytischen Tests nicht zusammenbrach.

Das liegt den Wissenschaftlern zufolge daran, dass sich innerhalb von wenigen Minuten auf der ZIF-Oberfläche ein nur wenige Nanometer dicker Film aus Kobalt-Sauerstoffhydroxid bildet, der dem Katalysator die nötige Festigkeit gibt. "Obwohl wir mit dieser neuen Strategie einige Verbesserungen erwartet hatten, waren wir überrascht, wie sehr sie die photoelektrokatalytische Leistung von ZIFs verbessert", verdeutlicht Eder abschließend.

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