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Dank verbesserter Isotopen-Analyse zu mehr Nachhaltigkeit

Einem interdisziplinären Team von FAU-Forschern und der University of Connecticut ist es gelungen, mit einer neuartigen Analysemethode von Sauerstoff-Isotopen chemische Reaktionen während der Wasserelektrolyse besser zu verstehen. (Grafik: FAU/Sandra Haschke )

FAU-Wissenschaftler verbessern Verständnis von chemischen Reaktionen der Wasserelektrolyse

Mittels Wasserelektrolyse, also der Teilung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff mithilfe elektrischen Stroms, Wasserstoff zu gewinnen, könnte zukünftig dazu beitragen, aus erneuerbaren Quellen gewonnene Energie aus effizienter und günstiger zu speichern. Noch ist die Methode jedoch zu teuer. Einem interdisziplinären Team von Forschern an der FAU, darunter Prof. Dr. Julien Bachmann vom Lehrstuhl für Chemistry of thin film materials, und der University of Connecticut ist es gelungen, mit einer neuartigen Analysemethode von Sauerstoff-Isotopen chemische Reaktionen während der Wasserelektrolyse besser zu verstehen. Ihre Ergebnisse haben die Forscher in „Nature Communications“ veröffentlicht.

Auf den ersten Blick scheinen sie nicht viel miteinander zu tun zu haben: Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Julien Bachmann erforscht am Department Chemie und Pharmazie der FAU nanostrukturierte Elektrodenoberflächen zur Effizienzsteigerung von Energieumwandlung und -speicherung in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren. Die Mitglieder von Prof. Dr. Johannes Barths Arbeitsgruppe am GeoZentrum Nordbayern analysieren stabile Isotope, also unterschiedlich schwere Kerne von Elementen, in der Umwelt. Für eine neue Studie haben die FAU-Wissenschaftler nun aber interdisziplinär zusammengearbeitet, um die Wasserelektrolyse zukünftig kostengünstiger zu ermöglichen.

Isotope in natürlicher Zusammensetzung messen

In der Umweltforschung ist die Analyse von Isotopen ein Werkzeug, um beispielsweise den Ursprung von Gewässern und den darin verlaufenden Stoffumsetzungen zu bestimmen. Aber auch zur Analyse von chemischen Reaktionen wird die Isotopenmessung seit Langem eingesetzt. Bisher waren die Messungen jedoch mit vielerlei Einschränkungen behaftet, insbesondere der Notwendigkeit, isotopenreine Substanzen zu verwenden. Mithilfe einer hochgenauen massenspektrometrischen Methode zur Bestimmung von Isotopen in natürlicher Zusammensetzung, die von den Hydrologen am Geozentrum verwendet wird, ist dies nun anders. „Dadurch wird der Vorgang sehr viel leichter als bisher in der Chemie üblich“, erklärt Professor Bachmann.

Unterschiedlich schnell

Sandra Haschke, Chemiedoktorandin an der FAU, und beteiligte Kolleginnen und Kollegen konnten dadurch nun nachweisen, dass komplexe Reaktionen der Wasserelektrolyse Sauerstoff-Isotope des Wassers unterschiedlich schnell umsetzen. „Dies hängt vom Katalysatormaterial sowie von der an die Elektrode angelegten Spannung ab“, erklärt Bachmann. Mithilfe eines durch das FAU-Programm ‚visiting professorship‘ eingeladenen Experten auf diesem Gebiet, Prof. Alfredo Angeles-Boza von der University of Connecticut (USA), konnten zudem neue Erkenntnisse zu den einzelnen Schritten der Reaktion auf festen Oberflächen von Elektroden gewonnen werden. Da solche Reaktionen sowie die Oberflächen selbst hochkomplex und daher schwer zu untersuchen sind, wird die Methode in Zukunft wichtige Hinweise zur Verbesserung von elektrochemischen Reaktionen liefern. „Wenn wir Reaktionen an Oberflächen besser verstehen, können wir das Material für chemische Reaktionen besser optimieren. So könnte möglicherweise Iridium, ein sehr guter, aber auch sehr teurer Katalysator, durch Eisenoxid ersetzt werden – das sehr viel günstiger ist, aber dafür momentan ein sehr schlechter Katalysator.“

Originalpublikation: http://dx.doi.org/10.1038/s41467-018-07031-1

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Julien Bachmann
julien.bachmann@fau.de