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Grüner Wasserstoff Neue Dynamik in heterogener Katalyse entdeckt

Von Michael Hobohm 2 min Lesedauer

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Universität Duisburg Essen

Die Sauerstoffgasentwicklung gilt als einer der energieintensivsten Schritte der Wasserelektrolyse und ist damit ein zentraler Hebel, um die Produktion von grünem Wasserstoff effizienter zu machen. Modellierungen der Reaktionsmechanismen legten bisher zugrunde, dass die elementaren Schritte nacheinander ablaufen, nicht gleichzeitig. Ein Team um Prof. Dr. Kai Exner der Universität Duisburg-Essen konnte nun zeigen, dass diese Annahme nicht immer stimmt. Die im Fachjournal "Nature Communications" veröffentlichten Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten, feste Katalysatoren zu verbessern.

Darstellung des "Walden-artigen Mechanismus‘", in dem sich Wasser an der katalytisch aktiven Oberfläche anlagert und sich gleichzeitig Sauerstoff löst. Sauerstoffatome sind als größere, rote Kugeln dargestellt, Wasserstoff wird durch die kleineren weißen Kugeln symbolisiert. Iridiumatome sind als große, hellgrüne Kugeln dargestellt. (Bild: UDE, Muhammad Usama)
Darstellung des "Walden-artigen Mechanismus‘", in dem sich Wasser an der katalytisch aktiven Oberfläche anlagert und sich gleichzeitig Sauerstoff löst. Sauerstoffatome sind als größere, rote Kugeln dargestellt, Wasserstoff wird durch die kleineren weißen Kugeln symbolisiert. Iridiumatome sind als große, hellgrüne Kugeln dargestellt.
(Bild: UDE, Muhammad Usama)

Grundsätzlich werden zwei Arten der Katalyse unterschieden: Homogene Katalysatoren befinden sich im gleichen Aggregatzustand wie die umzusetzenden Stoffe (alle sind zum Beispiel flüssig), heterogene Katalysatoren liegen in einer anderen Phase vor, zum Beispiel als Feststoff, der mit Flüssigkeiten oder Gasen reagiert. Damit eine Reaktion an einem festen Katalysator überhaupt ablaufen kann, müssen sich die Ausgangsstoffe (Edukte) an dessen Oberfläche anlagern (Adsorption) und nach erfolgter Umsetzung wieder lösen (Desorption).

Bisher ist die Forschung bei festen Katalysatoren – das heißt in der heterogenen Variante – davon ausgegangen, dass Adsorption und Desorption nacheinander passieren: Das Edukt bindet an den Katalysator, reagiert, anschließend löst sich das Produkt ab. Bei homogenen Katalysatoren dagegen ist bekannt, dass diese Schritte gleichzeitig ablaufen.

Stärker an den Prinzipien der homogenen Katalyse orientieren

Bei der Modellierung von Reaktionsmechanismen in der heterogenen Katalyse wurden mögliche parallel ablaufende Elementarschritte bisher nicht immer berücksichtigt. Doch eine theoretische Studie innerhalb des Exzellenzclusters Resolv zeigt nun: Der Feststoff Iridiumdioxid (IrO₂), der zur Herstellung von grünem Wasserstoff als Anodenmaterial verwendet wird, verhält sich in der Sauerstoffgasentwicklung ähnlich wie ein homogener Katalysator: Sauerstoff entsteht in einem "Walden-artigen Mechanismus", in dem Adsorption und Desorption analog zur homogenen Variante gleichzeitig ablaufen. Das widerspricht der bisherigen Vorstellung und eröffnet neue Möglichkeiten, Elektrodenmaterialien zu verbessern, die sich stärker an den Prinzipien der homogenen Katalyse orientieren.

Damit knüpft Exners Forschung gleich an mehrere Verbundprojekte innerhalb der Universität Duisburg Essen und der Universitätsallianz Ruhr an: das Projekt "Natural Water to Hydrogen" unter der Leitung von Prof. Dr. Corina Andronescu, den Sonderforschungsbereich 247 "Heterogene Oxidationskatalyse in der Flüssigphase" und nicht zuletzt an die Forschung im Neubau Active Sites, für den kürzlich der erste Spatenstich stattfand.

Originalpublikation: Usama, M., Razzaq, S., Hättig, C., Steinmann, S. & Exner, K. S. Oxygen evolution reaction on IrO2(110) is governed by Walden-type mechanisms. Nat. Commun. 16, 6137 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61367-z

Weiterte Informationen: Prof. Dr. Kai S. Exner, Theoretische Katalyse und Elektrochemie, Tel. 0201/18 3-2992, kai.exner@uni-due.de

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