EPFL-Forscher überwinden Hürde auf dem Weg zur Energiespeicherung
Bei der Nutzung von erneuerbaren Energien ist die Speicherung von Energie-Überschüssen zentral. Forscher der ETH Lausanne haben nun eine wichtige Entdeckung gemacht, die bei der Entwicklung entsprechender Systeme helfen könnte.
Quelle: S. Yoon, TH Shen, V. Tileli
Illustration der unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften.
Sollen erneuerbare Energien dereinst fossile Brennstoffe ersetzen, ist eines zentral: Anfallende Energie-Überschüsse sollten gespeichert und bei Gebrauch wieder in Energie umgewandelt werden können. Eine Methode, die derzeit von zahlreichen Forschern untersucht wird, ist die Speicherung in gasförmiger Form in Elektrolysezellen. Diese arbeiten mit Strom, der eine Elektrolysereaktion auslöst, bei der Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden.
Die Elektrizität kann durch die Umkehrung dieser Reaktion – also durch die Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser – zurückgewonnen werden. Katalysatoren spielen dabei eine entscheidende Rolle: Sie werden verwendet, um elektrokatalytische Reaktionen zu beschleunigen, ohne dabei verbraucht zu werden. Bei der Wasserelektrolyse werden Metalloxide als Katalysatoren verwendet, von denen einige tendenziell besser funktionieren als andere – der genaue Grund dafür war bis anhin aber unbekannt.
Bilder im Nanomassstab erstellt
Wissenschaftler der ETH Lausanne (EPFL) haben vor diesem Hintergrund die Reaktionen der Wasserelektrolyse unter dem Elektronenmikroskop beobachtet. Vasiliki Tileli, Assistenzprofessorin und Leiterin des EPFL-Labors für die In-situ-Charakterisierung von Nanomaterialien mit Elektronen und ihr Doktorand Tzu-Hsien Shen untersuchten dabei, wie sich der Katalysator während des gesamten Prozesses verhält, indem sie Bilder im Nanomassstab erstellten.
Dafür verwendeten sie einen Oxidkatalysator vom Perowskit-Typ namens «BSCF». Dieser sei ein faszinierender Katalysator mit aussergewöhnlichen Wasserspaltungseigenschaften, so Tileli. «Die meisten der derzeit verwendeten Katalysatoren, die etwa aus Iridium und Ruthenium bestehen, sind zwar wirksam, aber sehr teuer und ihr Angebot ist begrenzt. Es müssen also Alternativen gefunden werden.»
Oberflächen wechseln von hydrophob zu hydrophil
Während der Beobachtung des Verhaltens des Katalysators stellten die Forscher fest, dass sich die Oberflächenatome der Partikel während der Reaktion umverteilen und die Oberflächeneigenschaften verändern. Dies hat zur Folge, dass die Partikel in den verschiedenen Phasen des Elektrolysezyklus unterschiedlich mit ihrer Umgebung interagieren: Bei einigen Schritten im Prozess ist die Oberfläche hydrophob, also wasserabweisend, während sie bei anderen hydrophil ist und Wasser anzieht.
«Diese Beobachtungen sind einzigartig», erklärt Tileli. Man habe zwar vermutet, dass sich die Oberfläche der Partikel verändern könnte, jedoch sei dies noch nie zuvor auf nanoskopischer Ebene und in Echtzeit beobachtet worden. Die Fähigkeit eines Materials, zwischen dem hydrophoben und dem hydrophilen Zustand hin- und herzuschalten, ist laut der Forscherin für Ingenieure sehr wertvoll und kann in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Beispielsweise in Sensoren, Wasserreinigungssystemen und selbstreinigenden Oberflächen. (sda/mgt/pb)
Die Studie wurde in der Fachzeitschrift «Nature Catalysis» veröffentlicht.
Zur Mitteilung der ETH Lausanne geht es hier.
