Katalysatoraktivierung und -abbau während der Sauerstoffentwicklung in hydrierten Iridiumoxiden

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Die Wasserelektrolyse ist entscheidend für nachhaltige Energiesysteme und
ermöglicht die Produktion von Wasserstoff als Brennstoff, der in der
chemischen Industrie, der Stahlproduktion und der Stromerzeugung
eingesetzt werden kann.

Die Entwicklung effizienter Katalysatoren für die
Sauerstoffentwicklung (OER) ist entscheidend für den Fortschritt der
Protonenaustauschmembran (PEM)-Wasserelektrolyse, wobei Iridium-basierte
OER-Katalysatoren trotz der Herausforderungen im Zusammenhang mit ihrer
Auflösung vielversprechend sind.

Eine gemeinsame Forschung des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien
und Energie GmbH und des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft
hat Einblicke in die Mechanismen der OER-Leistung und der Iridiumauflösung
für amorphe hydrierte Iridiumoxide geliefert und das Verständnis dieses
kritischen Prozesses vorangetrieben.

Die Wasserelektrolyse ist ein zentraler Bestandteil globaler nachhaltiger
und erneuerbarer Energiesysteme und ermöglicht die Produktion von
Wasserstoff als Brennstoff. Dieser saubere und vielseitige Energieträger
kann in verschiedenen Anwendungen genutzt werden, wie etwa bei der
chemischen CO2-Umwandlung und der Stromerzeugung. Der Einsatz erneuerbarer
Energiequellen wie Solar- und Windenergie zur Stromversorgung des
Elektrolyseprozesses kann dazu beitragen, die Kohlenstoffemissionen zu
reduzieren und den Übergang zu einer kohlenstoffarmen Wirtschaft zu
fördern.

Die Entwicklung effizienter und stabiler Anodenmaterialien für die
Sauerstoffentwicklung (Oxygen Evolution Reaction, OER) ist entscheidend
für den Fortschritt der Protonenaustauschmembran (PEM)-Wasserelektrolyse-
Technologie. Die OER ist eine zentrale elektrochemische Reaktion, die
Sauerstoffgas (O₂) aus Wasser (H₂O) oder Hydroxidionen (OH⁻) während der
Wasserspaltung erzeugt. Diese scheinbar einfache Reaktion ist in
Energiewandlungstechnologien wie der Wasserelektrolyse von entscheidender
Bedeutung, da sie schwer effizient zu realisieren ist und ein
gleichzeitiger Prozess zur gewünschten Wasserstoffproduktion darstellt.
Iridium (Ir)-basierte Materialien, insbesondere amorphe hydrierte
Iridiumoxide (am-hydr-IrOx), stehen im Mittelpunkt dieser Forschung
aufgrund ihrer hohen Aktivität. Ihre Anwendung wird jedoch durch hohe
Auflösungsraten des kostbaren Iridiums begrenzt.

Eine gemeinsame Anstrengung von Wissenschaftler*innen der Abteilung
Interface Design am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
GmbH und der Theorieabteilung am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-
Gesellschaft hat nun grundlegende Einblicke in die miteinander verknüpften
Mechanismen der OER und der Ir-Auflösung in amorphen, hydrierten
Iridiumoxiden (am-hydr-IrOx) geliefert. Traditionell war das Verständnis
dieser Prozesse durch die Abhängigkeit von kristallinen
Iridiumoxidmodellen begrenzt. In dieser gemeinsamen Anstrengung wurden
hydrierte Iridiumoxid-Dünnschichten (HIROFs) als Modellsystem untersucht,
das eine einzigartige Iridiumsuboxid-Spezies mit hoher OER-Aktivität
aufdeckte. In situ Röntgenphotoelektronen- und
Röntgenabsorptionsspektroskopie an den Synchrotronen BESSY II und ALBA
sowie die Dichtefunktionaltheorie (DFT) wurden eingesetzt, um die lokalen
elektronischen und geometrischen Strukturen dieser Materialien unter
Betriebsbedingungen zu untersuchen, was zur Einführung eines neuartigen
Oberflächenmodells mit H-terminierten Nanoschichten führte. Dieses Modell
repräsentiert besser die kurzreichweitige Struktur von am-hydr-IrOx und
zeigt verlängerte Ir-O-Bindungslängen im Vergleich zu traditionellen
kristallinen Modellen.

Darüber hinaus wurde die Ir-Auflösung als spontaner, thermodynamisch
getriebener Prozess identifiziert, der bereits bei Potenzialen unterhalb
der OER-Aktivierung auftritt, während das vorherrschende mechanistische
Bild davon ausgeht, dass der Abbau durch seltene Ereignisse während der
OER getrieben wird. Diese Entdeckung erforderte die Entwicklung eines
neuen mechanistischen Rahmens zur Beschreibung der Ir-Auflösung durch die
Bildung von Ir-Defekten. Die Studie bot auch Einblicke in die Beziehung
zwischen Aktivität und Stabilität von am-hydr-IrOx, indem systematisch die
DFT-berechnete OER-Aktivität in verschiedenen Ir- und O-Chemieumgebungen
analysiert wurde.

Insgesamt stellen die aktuellen Forschungsergebnisse konventionelle
Wahrnehmungen der Iridiumauflösung und OER-Mechanismen in Frage und bieten
einen alternativen dual-mechanistischen Rahmen. Durch die Untersuchung
eines hochaktiven und porösen Katalysators mit einer einzigartigen
hydroxilierten Ir-Suboxid-Spezies entwickelt die Studie ein nanoskaliges
atomistisches Modell, das konventionelle kristallbasierte Modelle
übertrifft.

Diese Forschung stellt nicht nur das traditionelle Verständnis in Frage,
sondern bietet auch eine neue atomistische Perspektive auf die
empfindliche Beziehung zwischen OER-Aktivität und Haltbarkeit von
Edelmetalloxidkatalysatoren. Die Ergebnisse dürften breit anwendbar sein
und möglicherweise die Entwicklung effizienterer und stabilerer
Anodenmaterialien zur Förderung der PEM-Technologie leiten.