Зеленый водород — энергоноситель с будущим. Его получают путем электролитического расщепления воды энергией ветра или солнца и сохранения этой энергии в химической форме. Для облегчения расщепления молекул воды (и снижения затрат энергии) электроды покрыты каталитически активными материалами.

Доктор Марсель Риш и его группа молодых исследователей «Разработка механизма выделения кислорода» исследуют выделение кислорода при электрокатализе воды. В частности, выделение кислорода должно происходить более эффективно для экономичного производства водорода.

Захватывающий класс материалов

Захватывающим классом материалов для электрокатализаторов являются оксиды марганца , которые встречаются во многих различных структурных вариантах. «Решающим критерием пригодности в качестве электрокатализатора является степень окисления материала и то, как она изменяется в ходе реакции», — объясняет Риш.

В случае оксидов марганца также существует большое разнообразие возможных степеней окисления. Спектроскопия поглощения рентгеновских лучей (XAS) предоставляет информацию о состояниях окисления : кванты рентгеновского излучения с подходящей энергией возбуждают электроны на самых внутренних оболочках, которые поглощают эти кванты. В зависимости от степени окисления это поглощение может наблюдаться при разных энергиях возбуждения. Команда Риша сконструировала электролизную ячейку, позволяющую проводить XAS-измерения во время электролиза.

Рентгеновская абсорбционная спектроскопия

«С помощью рентгеновской абсорбционной спектроскопии мы можем не только определять степени окисления, но и наблюдать за процессами коррозии или фазовыми изменениями в материале», — говорит Риш.

Таким образом, в сочетании с электрохимическими измерениями данные измерений обеспечивают гораздо лучшее понимание материала во время электрокатализа. Однако требуемая высокая интенсивность рентгеновского излучения доступна только на современных синхротронных источниках света. Для этой цели в Берлине HZB использует BESSY II. Всего в мире насчитывается около 50 таких источников света для исследований.

Шкала времени от короткой до длинной

Риш все еще видит большой потенциал для применения рентгеновской абсорбционной спектроскопии, особенно в отношении временных масштабов наблюдения. Это связано с тем, что типичное время измерения составляет несколько минут на измерение. Однако электрокаталитические реакции протекают в более короткие промежутки времени.

«Если бы мы могли наблюдать за процессом электрокатализа, мы могли бы лучше понять важные детали», — говорит Риш. Обладая этими знаниями, можно было быстрее разработать дешевые и экологически безопасные катализаторы. С другой стороны, многие процессы «старения» происходят в течение недель или месяцев. «Мы могли бы, например, исследовать один и тот же образец снова и снова через равные промежутки времени , чтобы понять эти процессы», — советует Риш. Это также позволит разработать электрокатализаторы с долговременной стабильностью.

Исследование было опубликовано в Angewandte Chemie.