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.