Revolution der Wasserstoffproduktion: Neue Katalysatoren von Mainz!

Mainz, Deutschland - Forschende der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben einen vielversprechenden Durchbruch in der Wasserstoffproduktion erzielt. Sie entwickelten kostengünstige und effiziente Katalysatoren zur Wasserspaltung, die für die Herstellung von grünem Wasserstoff von entscheidender Bedeutung sind. Der neuartige Katalysator basiert auf Kobalt und Wolfram, Materialien, die sowohl leicht zugänglich als auch preiswert sind. Ihre Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht und zeichnen sich durch eine bemerkenswerte Eigenschaft aus: Im Gegensatz zu herkömmlichen Katalysatoren steigert dieser Katalysator seine Leistung über die Zeit.

Die Selbstoptimierung des Katalysators resultiert aus Veränderungen in der chemischen Struktur des Kobalt-Wolfram-Oxids während des Wasserspaltungsprozesses. Dabei wandelt sich Kobalt von Co2+ zu Co3+, während das Verhältnis der Oxidationsstufen von Wolfram, W5+ zu W6+, ebenfalls variiert. Diese Dynamik ist entscheidend, da die Sauerstoffreaktion, die als Engpass gilt, zunächst von Wolfram und später von Kobalt angetrieben wird. Zudem vergrößert sich die aktive Oberfläche des Katalysators während der Wasserspaltung, was die Hydrophilie der Oberfläche erhöht und die Reaktionskinetik deutlich verbessert.

Forschung zu Kohlenstoffnitrid als Katalysator

Parallel dazu untersuchen Forschende um Dr. Paolo Giusto den Mechanismus der Wasserspaltung durch Kohlenstoffnitrid-Katalysatoren. Diese Arbeit ist für die Optimierung von Katalysatormaterialien zur Erzeugung von grünem Wasserstoff von großer Bedeutung. Kohlenstoffnitrid hat sich als effektiver Katalysator erwiesen, der Wasser mithilfe künstlicher Photosynthese in seine Bestandteile – Wasserstoff und Sauerstoff – spaltet. Durch intensive Forschung wird die Wechselwirkung zwischen Kohlenstoffnitrid und Wasser erfasst, insbesondere der Transfer von Protonen und Elektronen unter Lichteinfluss.

Die vielversprechenden Ergebnisse zeigen, dass Kohlenstoffnitrid die Elektronendichte auf Wassermoleküle überträgt, was zu einem Hybridsystem führt. Der Partikeltransfer erzeugt ein Ungleichgewicht, das weitere Reaktionen stimuliert und chemische Bindungen des Wassers schwächt. Dies ist ein entscheidender Schritt zur Verbesserung der Effizienz in der Wasserstoffproduktion, da Kohlenstoffnitrid Licht absorbiert und dessen Energie nutzt, um die Wassermoleküle zu destabilisieren, was schließlich zu einem protonengekoppelten Elektronentransfer führt.

Nachhaltige Wasserstoffproduktion

Die Entwicklungen im Bereich der Wasserspaltung und der Wasserstoffproduktion stehen im Einklang mit den globalen Bemühungen um nachhaltige Energielösungen. Laut einer Studie des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung ist das Potenzial für eine nachhaltige Wasserstoffproduktion und die Entwicklung effizienter Katalysatoren von enormer Bedeutung. Diese Technologien könnten dazu beitragen, die Übergänge zu einer kohlenstoffarmen Wirtschaft zu erleichtern und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern.

In Mainz wird das Projekt zusätzlich von Organisationen wie der Carl-Zeiss-Stiftung, der Alexander von Humboldt-Stiftung und dem JGU-Profilbereich SusInnoScience unterstützt. Zudem wird Dandan Gao, der an der Entwicklung des neuen Katalysators arbeitet, seit Juni 2023 durch das Walter Benjamin-Programm der DFG gefördert, das es Wissenschaftlern ermöglicht, eigene Forschungsprojekte nach der Promotion durchzuführen. Die Fortschritte in dieser Forschung könnten langfristig einen entscheidenden Beitrag zur globalen Wasserstoffproduktion leisten.