Das MPI CEC ist stolz darauf, Teil einer bahnbrechenden Forschungskooperation zu sein, die neue Erkenntnisse über den Mechanismus der kobaltkatalysierten sauren Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) gewonnen hat. In einer kürzlich in Nature Energy veröffentlichten Arbeit hat eine internationale Gruppe aus dem MPI CEC, der Monash University, der Swinburne University of Technology, dem Los Alamos National Laboratory, dem Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie und der Universität Cambridge bedeutende Fortschritte beim Verständnis des Verhaltens von Kobalt-basierten Katalysatoren in der Wasserelektrolyse bei niedrigem pH-Wert erzielt.

Ein entscheidender Schritt in Richtung Wasserstoffwirtschaft

Die Entwicklung effizienter und kostengünstiger Katalysatoren für die Wasserelektrolyse bei niedrigem pH-Wert ist für die Etablierung einer Wasserstoffwirtschaft von entscheidender Bedeutung. Die Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse (PEMWE) ist eine vielversprechende Technologie, die auf dem seltenen und teuren Iridium als Katalysator auf der Anodenseite basiert. Die begrenzte Verfügbarkeit von Iridium stellt jedoch einen erheblichen Engpass für die breite Einführung der PEMWE dar. Das Team ging diese Herausforderung an, indem es einen alternativen Katalysator auf der Basis der weitaus häufiger vorkommenden Elemente Kobalt, Eisen und Blei untersuchte, der von unseren Partnern an der Monash University entwickelt wurden.

Analyse der Katalyse- und Degradationsmechanismen

Mithilfe des komplementären Einsatzes verschiedenster Analysetechniken, im speziellen der Wechselspannungs-Voltammetrie, in situ Röntgenspektroskopie, Untersuchungen mittels elektrochemischer Quarzkristall-Mikrowaage und ab initio-Berechnungen, gewannen die Forscher*innen Einblicke in die Entwicklung der aktiven Zentren des [CoFePb]O_x  Katalysators beim sukzessiven Erreichen relevanter Potenziale zum Anteiben der Reaktion. Die Ergebnisse zeigen, dass der Stabilisierung des Katalysators in einem relativ langsamen Zeitrahmen von Minuten abläuft. Die Ergebnisse legen außerdem einen Reaktionsmechanismus nahe, in dem sowohl Co- als auch Pb-Atome involviert sind anstelle der Reaktion an Co-Oxid-Clustern. Diese Erkenntnis unterscheidet sich von den Reaktionsmechanismen, die für Co-basierte Katalysatoren unter neutralen oder alkalischen Bedingungen vorgeschlagen wurden.

Wichtigste Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Die Studie hat gezeigt, dass die Degradations- und Reaktionsmechanismen der untersuchten Kobalt-basierten Katalysatoren unabhängig voneinander ablaufen und nicht miteinander verknüpft sind. Diese Entdeckung hat wichtige Auswirkungen auf die Entwicklung solcher Katalysatoren für eine effektive und stabile Wasserelektrolyse bei niedrigem pH-Wert und ermöglicht es, die Optimierung der Aktivität und Stabilität solcher Systeme als individuelle Herausforderungen anzugehen. In dieser Hinsicht stellen die Ergebnisse einen wichtigen Meilenstein für das Verständnis solcher Katalysatorsysteme für zukünftige Optimierungen dar. 

Die Teammitglieder des MPI CEC spielten eine entscheidende Rolle in dieser Forschungskollaboration und brachten ihr Fachwissen in den Bereichen operando Röntgenspektroskopie und der elektrochemischen Quarzkristall-Mikrowaagen-Technik ein. Dr. Marc Tesch und Dr. Ioannis Spanos aus der Gruppe ‚Elektrochemie‘ am MPI CEC leisteten wesentliche Beiträge zur Konzeption und Durchführung der Experimente sowie zur Interpretation der Ergebnisse. Ihre Expertise in der operando Spektroskopie und elektrochemischen Analyse war entscheidend für die Gewinnung von Erkenntnissen über das Verhalten des untersuchten Katalysators.

Ausblick und zukünftige Richtungen

Die Studie kann als Leitfaden für zukünftige Strategien bei der Entwicklung iridiumfreier Katalysatoren für PEMWE dienen. Die Analyse ähnlicher Verbindungen kann durchgeführt werden, um die Allgemeingültigkeit der Ergebnisse dieser Materialklasse in der sauren Katalyse zu untersuchen. Schließlich kann der untersuchte [CoFePb]O_x-Katalysator weiter verbessert und unter industriellen Bedingungen validiert werden, um sein Potenzial als Alternative zu iridiumbasierten Katalysatoren für PEMWE zu bewerten.

Das MPI CEC hat sich zum Ziel gesetzt, das Verständnis von Energieumwandlungsprozessen zu verbessern und innovative Lösungen für eine nachhaltige Energiezukunft zu entwickeln. Unsere Forschungskooperation hat in dieser Richtung bedeutende Fortschritte erzielt, und wir freuen uns darauf, unsere Arbeit in diesem spannenden Bereich fortzusetzen.

Original Publikation: Simondson, D., Tesch, M.F., Spanos, I. et al. Decoupling the catalytic and degradation mechanisms of cobalt active sites during acidic water oxidation. Nat Energy (2025). https://doi.org/10.1038/s41560-025-01812-x