Seoul – Ein gemeinsames Forschungsteam der Seoul National University (SNU), des KAIST und des Korea Basic Science Institute (KBSI) hat erstmals gezeigt, dass derselbe Silber-Nanokatalysator in Festoxidzellen je nach Betriebsmodus an unterschiedlichen Stellen reagiert. Die Ergebnisse liefern neue Designprinzipien für effizientere Luft-Elektroden und wurden in der Fachzeitschrift Energy & Environmental Science veröffentlicht (DOI: 10.1039/d5ee07320k).
Festoxidzellen sind energietechnische Systeme, die über den Transport von Sauerstoffionen entweder Strom erzeugen oder Wasser zur Wasserstoffproduktion spalten. Die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer hängen entscheidend von der Geschwindigkeit der Sauerstoffreaktionen an der Luft-Elektrode ab. Metall-Nanokatalysatoren verbessern diese Reaktionen, doch bisher war unklar, ob die Aktivität an der Katalysatoroberfläche oder an der Grenzfläche zum Elektrodenmaterial stattfindet – und ob die Mechanismen bei Stromerzeugung und Wasserstoffproduktion identisch sind.
Das Team um die Professoren WooChul Jung und Jeong Woo Han (SNU) entwickelte ein Modell-Elektrodensystem mit präzise kontrollierter Struktur: gleichmäßig große und angeordnete Metall-Nanopartikel auf einer dünnen Perowskit-Oxid-Elektrode. Getestet wurden Silber, Cobalt, Palladium und Platin. Silber zeigte die stärkste katalytische Wirkung.
Systematische Variation von Größe und Anordnung der Silberpartikel sowie synchrotronbasierte Analysen (AP-XPS) und atomare Berechnungen ergaben: Bei der Sauerstoffreduktion (Stromerzeugung) ist die Grenzfläche zwischen Silber-Nanopartikeln und Elektrode der primäre Reaktionsort. Die Reaktionsrate steigt mit der Länge dieser Grenzfläche. Bei der Sauerstoffentwicklungsreaktion (Wasserstoffproduktion) dominiert dagegen die Oberfläche der Silberpartikel; die Rate steigt mit deren Oberfläche.
Silber erleichtert den Elektronentransfer zu Sauerstoff bei der Reduktion und fördert die Kopplung von Sauerstoffatomen sowie deren Freisetzung bei der Evolution. Zudem verändert der Katalysator die elektronische Struktur der Elektrodenoberfläche. Die Forschenden schlagen vor, Katalysatoroberfläche und Katalysator-Elektroden-Grenzfläche künftig getrennt zu optimieren – je nachdem, ob die Zelle als Brennstoffzelle oder Elektrolyseur betrieben wird.
Die Erkenntnisse könnten die Effizienz dezentraler Kraft-Wärme-Kopplungssysteme steigern und den Stromverbrauch bei der grünen Wasserstoffproduktion senken. Das Modell-Elektroden-Plattform eignet sich auch für weitere Anwendungen in der elektrochemischen Energiewandlung. Die Arbeit wurde vom südkoreanischen Ministerium für Wissenschaft und IKT sowie der National Research Foundation gefördert.
