Eine Verdoppelung der Effizienz von Elektrolyseuren haben Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich beobachtet − durch eine nur ein Atom dicke Schicht auf Elektroden.

 

Eine Schicht, gerade einmal so dünn wie ein einziges Atom, macht einen gewaltigen Unterschied: Auf der Oberfläche einer Elektrode verdoppelt sie die Menge des Wassers, die in einer Elektrolyseanlage gespalten wird – ohne dass sich dabei der Energiebedarf erhöht.

Damit verdoppelt die ultradünne Schicht auch die Menge des produzierten Wasserstoffs, ohne dass die Kosten steigen. Das berichten Forschende aus Jülich, Aachen, Stanford und Berkeley in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Nature Materials ".

"Uns ist es gelungen, ein detaillierteres Verständnis davon zu gewinnen, wie sich die Eigenschaften einer katalytisch wirkenden Elektrode aus ihrem Aufbau ergeben", sagt Christoph Bäumer, Erstautor der Studie.

Bei der Wasserelektrolyse entsteht an der negativ geladenen Elektrode (Kathode) Wasserstoff. Das kann allerdings nicht ohne eine Sauerstoffentwicklung an der positiv geladenen Elektrode (Anode) stattfinden. Katalysatoren, die diese Sauerstoffentwicklung begünstigen, machen somit auch den Gesamtprozess energieeffizienter. 

Lanthannickelat (LaNiO3), das zur Materialklasse der Perowskite gehört, ist ein solcher Katalysator. Daraus stellten die Forscher zwei verschiedene Arten hochreiner Kristalle her: Bei der einen Art enden die Kristalle an einer Oberfläche, in der sich nur Lanthan- und Sauerstoffatome befinden. Fachleute sprechen von einer Lanthan-Terminierung. Bei der anderen Art bilden Nickel- und Sauerstoffatome die Oberfläche (Nickel-Terminierung).

Es zeigte sich, dass eine nickelterminierte Anode in der gleichen Zeit doppelt so viel Sauerstoff produziert wie eine ebenso große lanthanterminierte Elektrode. "Überraschenderweise ist also eine einzige Lage von Nickel- und Sauerstoffatomen für eine ganz erhebliche Steigerung der katalytischen Aktivität des Materials verantwortlich", so Bäumer.

Er und seine Kollegen fanden auch heraus, warum das so ist: Während der Elektrolyse entsteht auf dem nickelterminierten Kristall eine ungeordnete, katalytisch sehr aktive Schicht aus Nickeldioxid, die sich bei Lanthan-Terminierung nicht bilden kann. 

Die Forschungsergebnisse zeigten auch die Stellschrauben auf, um bei Perowskit-Materialien diese Terminierung festzulegen: "Um nickelterminierte Kristalle herzustellen, haben wir ein Verfahren eingesetzt, mit dem man gezielt eine atomar dünne Schicht aus Nickelatomen auf die Oberfläche eines lanthanterminierten Kristalls aufbringen kann", erläutert Bäumer.

Der Materialwissenschaftler weiter: "Von diesem erweiterten Verständnis erhoffen wir uns, dass in Zukunft bessere Katalysatoren entwickelt werden können, die grünen Wasserstoff energieeffizienter und damit kostengünstiger herstellen als bisher."