Illustration des Verhaltens der Partikel während der chemischen Reaktion

Illustration des Verhaltens der Partikel während der chemischen Reaktion

Speicherung erneuerbarer Energien: ein weiterer Schritt nach vorn

Publiziert

Einer Forscherin der EPFL ist es gelungen, das Verhalten eines Katalysators auf Teilchenebene während der Elektrolyse von Wasser zu beobachten. Diese chemische Reaktion, bei der Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff "aufgespalten" wird, ist vielversprechend für die Speicherung von erneuerbaren Energien. Katalysatoren sind für diese Reaktion unerlässlich, aber ihr Verhalten ist noch weitgehend unverstanden.

Wie kann man Energie aus erneuerbaren Energiequellen zuverlässig und in großem Maßstab speichern? Diese Frage ist aufgrund der Wetterabhängigkeit dieser Energiequellen von zentraler Bedeutung und stellt die Wissenschaftler noch immer vor eine große Herausforderung. Eine der am meisten erforschten Methoden ist die Speicherung der Energie in Gasform mithilfe von elektrolytischen Zellen, die für diesen Zweck entwickelt wurden.

Diese Speicherung funktioniert unter anderem durch eine chemische Reaktion, die Wasserelektrolyse. Bei der Elektrolyse werden Wassermoleküle mithilfe von Elektrizität in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. Die Elektrolyse ist reversibel und der Wasserstoff kann anschließend wieder in Wasser umgewandelt werden, um den Strom zurückzugewinnen.

Verstehen, warum ein Katalysator funktioniert

Für diese Reaktion ist ein zentrales Element erforderlich: Katalysatoren. Diese Elemente - im Falle der Wasserelektrolyse vor allem Metalloxide - beschleunigen den Prozess, ohne dass sie bei der Reaktion verbraucht werden. Die Wissenschaftler wissen zwar, dass bestimmte Oxide gut funktionieren, aber sie wissen nicht, warum. "Wir beobachten, dass die Reaktion stattfindet, wir sehen, dass bestimmte Oxide besonders effizient, robust und stabil sind, aber wir wissen nicht, aus welchen Gründen, denn wir verstehen noch nicht, was während der Wasserelektrolyse mit dem Katalysator passiert", erklärt Vasiliki Tileli, Assistenzprofessorin an der L’EPFL und Leiterin des Labors für die in-situ-Charakterisierung von Nanomaterialien durch Elektronen.

Katalysatoren der nächsten Generation

Zusammen mit ihrem Studenten Tzu-Hsien Shen hat die Forscherin diese chemische Reaktion nachgestellt, um das Verhalten des Katalysators während der gesamten Reaktion unter dem Elektronenmikroskop zu beobachten und abzubilden, was auf nanoskopischer Ebene geschieht. Sie analysierten einen Oxidkatalysator mit Perowskitstruktur (BSCF). "Dieser Katalysator hat außergewöhnliche Eigenschaften bei der Wasserabscheidung", fügt die Forscherin hinzu. Tatsächlich sind die derzeit verwendeten Oxide wie Iridium und Ruthenium zwar effizient, aber teuer und ihre Ressourcen sind begrenzt. Letztendlich werden sie ersetzt werden müssen".

Die Wissenschaftler konnten die Partikel mit Perowskit-Struktur in Echtzeit während elektrochemischer Zyklen abbilden. So sahen sie, wie Sauerstoff auftauchte - ein Beweis für die laufende Reaktion - und stellten fest, dass dieser Prozess umkehrbar war. Außerdem stellten sie fest, dass das Oxid mit Perowskitstruktur besonders robust war.

Oberflächen, die Wasser erst abstoßen und dann anziehen

Sie fanden auch heraus, dass sich die Oberfläche der Partikel während der Reaktion verändert und die Atome neu verteilt werden. Dies führt dazu, dass sich das Verhalten der Partikel gegenüber ihrer Umgebung ändert. Je nach Phase des Zyklus wird die Oberfläche der Partikel hydrophob - sie stößt Flüssigkeiten ab -, während sie in anderen Phasen hydrophil wird - sie zieht Flüssigkeiten an - "Das ist absolut einzigartig", sagt Vasiliki Tileli. Wir dachten, dass sich die Oberfläche verändern kann, aber das war bisher noch nicht im nanoskopischen Maßstab und in Echtzeit beobachtet worden. Die Fähigkeit eines Materials, sich von einem hydrophoben in einen hydrophilen Zustand und umgekehrt zu verwandeln, ist für die Wissenschaft von großem Interesse und wird in zahlreichen Anwendungen wie Sensoren, Wasseraufbereitung oder selbstreinigenden Oberflächen genutzt. Die Ergebnisse dieser Forschung werden in Nature Catalysis veröffentlicht.

EVENTS

analytica

Leitmesse für Labortechnik, Analytik, Biotechnologie und analytica conference

Datum: 09.-12. April 2024

Ort: München (D)

Siams

Die Messe der Produktionsmittel der Mikrotechnik

Datum: 16.-19. April 2024

Ort: Moutier (CH)

Hannover Messe

Transfoming Industry Togheter

Datum: 22.-26. April 2024

Ort: Hannover (D)

IFAT

Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft

Datum: 13.-17. Mai 2024

Ort: München (D)

drupa

Weltweit führende Fachmesse für Drucktechnologien

Datum: 28. Mai-07.Juni 2024

Ort: Düsseldorf (D)

ArbeitsSicherheit Schweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz und Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 05.-06. Juni 2024

Ort: Zürich (CH)

EPHJ-EPMT-SMT

Internationale Ausstellung für Uhrenindustrie, Mikrotechnologie und Medizinaltechnik

Datum: 11 – 14 Juni 2024

Ort: Genf (CH)

Achema

Internationale Leitmesse der Prozessindustrie

Datum: 10.-14. Juni 2024

Ort: Frankfurt am Main (D)

SENSOR + TEST

Internationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik

Datum: 11.-13. Juni 2024

Ort: Nürnberg (D)

all about automation

Fachmesse für Industrieautomation

Datum: 28.-29. August 2024

Ort: Zürich (CH)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 28.-29. August 2024

Ort: Zürich (CH)

Rehacare

Die REHACARE ist die internationale Fachmesse für Rehabilitation, Prävention, Inklusion und Pflege.

Datum: 25. - 28. September 2024

Ort: Düsseldorf (D)

FachPack

Europäische Fachmesse für Verpackung, Technik, Veredelung und Logistik

Datum: 24.-26. September 2024

Ort: Nürnberg (D)

W3+ Fair Jena

Europas führende Plattform für Forschung und Innovationskraft

Datum: 25.-26. September 2024

Ort: Jena (D)

Cleanzone

Internationale Fachmesse und Kongress für Reinraumtechnologie

Datum: 25.-26. September 2024

Ort: Frankfurt am Main (D)

Ilmac Lausanne

Networking. Forum. Aussteller

Datum: 25.-26. September 2024

Ort: Lausanne (CH)

Ilmac

Fachmesse für Prozess- und Labortechnologie

Datum: 18.-19. September 2024

Ort: Lausanne (CH)

IN.STAND

Die Messe für Instandhaltung und Services

Datum: 08.-09. Oktober 2024

Ort: Stuttgart (D)

VISION

Weltleitmesse für Bildverarbeitung

Datum: 08.-10. Oktober 2024

Ort: Stuttgart (D)

IFAS

Fachmesse für den Gesundheitsmarkt

Datum: 22.-24. Oktober 2024

Ort: Zürich (CH)

ALL4PACK EMBALLAGE

The global marketplace for Packaging Processing Printing Handling

Datum: 04.-07. November 2024

Ort: Paris (F)

electronica

Weltleitmesse und Konferenz der Elektronik

Datum: 12.-15. November 2024

Ort: München (D)

SEMICON Europa

Europäische Leitmesse für Mikroelektronik

Datum: 12.-15. November 2024

Ort: München (D)

VALVE WORLD EXPO

Weltweite Leitmesse für Industrie-Armaturen

Datum: 03.-05. Dezember 2024

Ort: Düsseldorf (D)

LABVOLUTION

Europäische Fachmesse für innovative Laborausstattung und die Optimierung von Labor-Workflows

Datum: 20.-22. Mai 2025

Ort: Hannover (D)

Automatica

Die Leitmesse für intelligente Automation und Robotik

Datum: 24.-27. Juni 2025

Ort: München (D)

LASER World of PHOTONICS

Weltleitmesse und Kongressfür Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Datum: 24.-27. Juni 2025

Ort: München (D)

SINDEX

Schweizer Messe für industrielle Automatisierung

Datum: 02.-04. September 2025

Ort: Bern (CH)

CMS Berlin

Internationale Leitmesse für Reinigung und Hygiene

Datum: 23.-26. September 2025

Ort: Berlin (D)

POWTECH

Pharma.Manufacturing.Excellence

Datum: 23. - 25. September 2025

Ort: Nürnberg (D)

A + A

Messe und Kongress für Arbeitsschutz und Arbeitssicherheit

Datum: 04.-07. November 2025

Ort: Düsseldorf (D)

AQUA Suisse

Die Schweizer Fachmesse für kommunales und industrielles Wassermanagement.

Datum: 26.-27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Die Fachmesse für industrielle Pumpen, Armaturen & Prozesse

Datum: 26. - 27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

interpack

Führende Messe für Prozesse und Verpackung

Datum: 07.-13. Mai 2026

Ort: Düsseldorf (D)

Bezugsquellenverzeichnis