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Nr. 99, 06.07.2019  voriger  Übersicht  weiter  REIHEN  SUCHE 

Die Chemie der Energie

Um die Energiewende auf die Straße zu bringen, muss Energie­umwand­lung güns­tiger und langlebiger werden. Eine Arbeitsgruppe der Festkörperphysik an der Uni Kiel schaut dazu mit intensiver Röntgen­strahlung tief ins Innere der zugrunde­liegenden Prozesse.


Doktorand Tim Wiegmann montiert am Synchrotron eine Probenzelle mit einer Elektrode aus Kobaltoxid im Messinstrument. © CAU

Aus Strom mithilfe von Elektrolyse Wasserstoff oder andere Kraftstoffe zu erzeugen (Power to Gas), ist im Prinzip ein elegantes Mittel, um Energie von unzuverlässigen Lieferanten wie Sonne oder Wind für schattige oder flaue Zeiten zu speichern. Andersherum lässt sich mit Brennstoffzellen bequem Wasserstoff in Strom für E-Autos umwandeln.

»Machbar ist in diesem Bereich eigentlich alles, es fragt sich nur, zu welchen Kosten«, beschreibt Professor Olaf Magnussen von der Festkörperphysik der Uni Kiel das ökonomische Grundproblem. Um diese Kosten zu senken, müssen vor allem die Materialien für die Elektroden in Brennstoffzellen und Elektrolysatoren weiterentwickelt werden. Genau auf diesem Feld stellen Magnussen und sein Kollege Dr. Jochim Stettner mit ihrem Team aus meist drei bis vier promovierenden Nachwuchskräften wichtige Werkzeuge zur Verfügung. Sie versuchen nachzuvollziehen, was bei den für die Energieumwandlung verantwortlichen elektrochemischen Prozessen geschieht.

Dazu entwickeln sie neue Methoden, die sich die intensive Röntgenstrahlung von Teilchen­beschleu­nigern zunutze machen. Interessant sind vor allem die Grenzflächen, an denen die als Katalysator wirkende Elektrode mit elektrolytischer Flüssigkeit in Kontakt kommt. Heutzutage enthalten diese Elektroden in aller Regel teure Edelmetalle wie Platin oder Iridium und haben obendrein ein anderes Problem: Während der sehr lebhaften elektrochemischen Prozesse können diese Edelmetalle oxidieren und sich früher oder später sogar komplett auflösen. Schuld daran ist laut Magnussen vor allem die elektrische Spannung: »Die erscheint mit etwa 1,5 Volt zwar nicht hoch, ist an den Grenzflächen aber mit enormen Feldstärken verbunden, die das Material angreifen.«

Wer dem entgegenwirken will, muss erst einmal verstehen, was überhaupt an den Elektroden passiert. »Es gibt relativ wenig Methoden, mit denen man das direkt ergründen kann«, berichtet Professor Magnussen, dessen Arbeitsgruppe auf die Technik der Röntgenbeugung setzt und sie ständig weiterentwickelt. Ein sehr intensiver Röntgenstrahl fällt dabei auf die jeweilige Probe und wird in alle Richtungen gestreut. Ganz ähnlich wie es mit einem Lichtstrahl passiert, der auf ein Glas mit Milch trifft und es dadurch weiß erscheinen lässt. Anhand der räumlichen Verteilung der Röntgenstrahlung lassen sich dann genaue Aussagen über die Anordnung der Atome in der Probe treffen. Mit modernen Detektoren kann das zum Beispiel an den Synchrotronquellen des DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) in Hamburg schon innerhalb von Sekunden geschehen.

Und genau das macht es möglich, auch die schnellen Strukturänderungen während der Reaktionsprozesse zu erfassen. Mit Ergebnissen, die es teils in sich haben. Eines der zahlreichen Projekte der Kieler Physik beschäftigte sich mit Kobaltoxid. Kobaltoxid ist ein hochinteressantes Elektrodenmaterial für die Elektrolyse und darf als modellhaft für viele andere Katalysatoren gelten. Mithilfe der Röntgenbeugung analysierte das Team, was an der Oxidoberfläche während der Gasentwicklung passiert – und entdeckte Verblüffendes: Erhöht man langsam die Spannung an der Elektrode, verwandeln sich bereits vor Beginn der Reaktion die ersten Atomlagen des Oxids in Kobaltoxyhydroxid. Schaltet man die Spannung ab, kehrt das Material zurück in seinen Urzustand.

Die Ergebnisse dieses Experiments wurden im Frühjahr in der wichtigen Fachzeitschrift ACS Catalysis veröffentlicht. Sie haben laut Doktorand Finn Reikowski, der diese Messungen vornahm, erhebliche Bedeutung: »Bisher schaute man sich das Material vorher und hinterher an und dachte, da hätte sich nichts getan. Jetzt aber wissen wir, dass man es zwischendurch mit einem ganz anderen Material zu tun hat. Wegen dieser falschen Annahme wurde der ganze Prozess bisher ein Stück weit falsch verstanden.«

Ein weiteres Projekt der Kieler Festkörperphysik beschäftigte sich mit der Stabilität von Platinkatalysatoren in Brennstoffzellen. Hier fand das Forschungsteam kürzlich heraus, dass die Oxidation nicht direkt das Problem ist. Tatsächlich sind manche Kristallfacetten der Platinpartikel trotz Oxidation sehr stabil, bei anderen dagegen kommt es sofort zur Auflösung des Platins. »Grund dafür ist die Art und Weise, wie der Sauerstoff in die verschiedenen Kristalloberflächen eindringt«, erklärt Doktorand Timo Fuchs, der dieses Thema in einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützten Projekt untersucht. In Zusammenarbeit mit internationalen Forschungsgruppen sollen nun Wege gefunden werden, um mit diesen Erkenntnissen stabilere Katalysatoren zu entwickeln.

Auch wenn es ein weiter Weg von solcher Forschung in die Praxis ist, glaubt Professor Magnussen daran, dass die Arbeit an diesen Details wesentlich für die technische Umsetzung der Energiewende ist. Um den anspruchsvollen Übergang zu erneuerbaren Energien zu schaffen, braucht es solche grundlegenden Einblicke, betont er: »Ohne tieferes Verständnis wird man dabei nicht weiterkommen.«

Martin Geist
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