19. September 2024

MXene als Katalysatoren für die Erzeugung von grünem Wasserstoff geeignet

Die Materialklasse arbeitet stabiler und effizienter als die derzeit besten Metalloxid-Katalysatoren

Oberfläche eines Vanadiumcarbid-MXens unter dem Rasterelektronenmikroskop © B. Schmiedecke/HZB

Unter dem Rasterelektronenmikroskop zeigt die Oberfläche eines Vanadiumcarbid-MXens interessante, fast organisch wirkende Strukturen aus Kobalt-Kupfer-Hydroxid-Molekülen. © B. Schmiedecke/HZB

Die Materialklasse der MXene besitzt vielfältige Talente. Nun hat ein internationales Team um HZB-Chemikerin Michelle Browne gezeigt, dass MXene als Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion bei der elektrolytischen Wasserspaltung geeignet sind. Dabei arbeiten sie stabiler und effizienter als die derzeit besten Metalloxid-Katalysatoren. Das Team hat die neuartigen Katalysatoren für die elektrolytische Aufspaltung von Wasser nun umfassend an der Berliner Röntgenquelle BESSY II und am Synchrotron Soleil, Frankreich, charakterisiert.

Grüner Wasserstoff gilt als Energiespeicher der Zukunft. Das Gas kann klimaneutral mit Strom aus Sonne oder Wind durch die elektrolytische Aufspaltung von Wasser produziert werden. Während an der einen Elektrode Wasserstoff-Moleküle entstehen, bilden sich an der anderen Elektrode Sauerstoff-Moleküle. Diese Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) ist jedoch einer der begrenzenden Faktoren bei der Elektrolyse. Spezielle Katalysatoren sollen daher diese Reaktion erleichtern. Sehr gute Kandidaten für OER-Katalysatoren sind zum Beispiel Nickeloxide, die preisgünstig und breit verfügbar sind. Allerdings korrodieren sie rasch im alkalischen Wasser eines Elektrolyseurs und auch ihre Leitfähigkeit lässt zu wünschen übrig. Dies verhindert derzeit die Entwicklung von preiswerten, leistungsstarken Elektrolysegeräten.

MXene als Katalysatoren

Eine neue Materialklasse könnte daher eine Alternative bieten: MXene, geschichtete Materialien auf Basis von Metallen wie Titan oder Vanadium, die mit Kohlenstoff- oder Stickstoffverbindungen kombiniert werden. MXene zeichnen sich durch riesige innere Oberflächen aus, die sich fantastisch nutzen lassen, ob zum Speichern von Ladungen oder als Katalysatoren.

Ein internationales Team um Dr. Michelle Browne hat nun den Einsatz von MXenen als Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion untersucht. Dafür hatte Doktorand Bastian Schmiedecke die MXene chemisch „funktionalisiert“, durch das Andocken von Kupfer- und Kobalt-Hydroxiden an den Oberflächen. Die so hergestellten Katalysatoren erwiesen sich in Vortests als deutlich effizienter als die reinen Metall-Oxid-Verbindungen. Mehr noch, im Dauereinsatz zeigte sich keine Verschlechterung, sondern sogar eine Verbesserung der Effizienz.

Messungen an BESSY II

Warum dies so gut funktioniert, zeigten Messungen an der Röntgenquelle BESSY II, die mit Unterstützung durch Namrata Sharma and Tristan Petit stattfanden: „Dort konnten wir an der Maxymus-Beamline herausfinden, wie sich die äußeren Oberflächen der MXen-Proben vom Inneren unterscheiden“, erläutert Schmiedecke. Die Forschenden kombinierten Rasterelektronenmikroskopie (SEM/TEM), Röntgenbeugung (XRD), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) sowie Röntgentransmissionsmikroskopie (STXM) und Röntgenabsorptions-Nahkantenstruktur (XANES), um weitere Einblicke in das Material zu gewinnen.

Ausblick: Beobachtung im Einsatz

„Wir konnten zeigen, dass MXene ein großes Potenzial für den Einsatz als Katalysatoren in Elektrolyseuren besitzen“, sagt Michelle Browne. Die Zusammenarbeit mit den Partnerteams aus dem Trinity College in Dublin, Irland und der University of Chemistry and Technology in Prag soll dafür fortgesetzt werden. Das Team plant neben weiteren chemischen Variationen zu MXene-Katalysatoren auch Tests mit solchen Katalysatoren in gängigen Elektrolyseuren im Dauerbetrieb.

Publikation:

Journal of Materials Chemistry A: Enhancing the Oxygen Evolution Reaction activity of CuCo based Hydroxides with V₂CT_x MXene.
Bastian Schmiedecke, Bing Wu, Thorsten Schultz, Aline Alencar Emerenciano, Namrata Sharma, Danielle Douglas-Henry, Apostolos Koutsioukis, Mehmet Turan Goerueryilmaz, Valeria Nicolosi, Tristan Petit, Norbert Koch, Zdenek Sofer, and Michelle Phillippa Browne
DOI: 10.1039/D4TA02700K