Wodór będący nośnikiem energii można otrzymać z wody metodą elektrolizy. Działa to szczególnie dobrze w przypadku elektrokatalizatorów spinelowo-kobaltowych zawierających mangan. Nie było jednak jasne dlaczego.
Konwencjonalne katalizatory do produkcji wodoru w drodze elektrolizy wody zwykle zawierają metale szlachetne i są drogie. Jednakże opracowano tańsze alternatywy, na przykład katalizatory kobaltowo-manganowe. Mają wysoką aktywność i są stabilne przez długi okres czasu. Czynnikiem decydującym o tych właściwościach jest zawartość manganu. Długo nie było wiadomo, dlaczego mangan odgrywa tak istotną rolę. Mechanizm stojący za tym zjawiskiem został obecnie rozszyfrowany przez badaczy z niemieckich instytucji Uniwersytetu Ruhr w Bochum, Instytutu Maxa Plancka ds. Materiałów Zrównoważonych i Konwersji Energii Chemicznej, Forschungszentrum Jülich i Uniwersytetu Duisburg-Essen. O swoich odkryciach informują w czasopiśmie Zaawansowane materiały energetyczne od 7 października 2024 r.
Kluczem do sukcesu było połączenie różnych metod
Przykładając napięcie elektryczne, wodę można rozbić na wodór i tlen. Ograniczającym etapem tej reakcji jest wydzielanie tlenu. Dlatego badacze poszukują optymalnych katalizatorów dla tego etapu reakcji. Elektrokatalizatory kobaltowe o określonej strukturze geometrycznej, tzw. strukturze spinelowej, są zwykle nieefektywne i niestabilne w długim okresie. To się jednak zmienia, gdy domieszkuje się je manganem.
Zespół badawczy wykorzystał różne metody do zbadania, co dokładnie dzieje się na powierzchni katalizatorów podczas elektrolizy wody. Pracowali razem w ramach Collaborative Research Center 247 „Heterogeniczna kataliza utleniania w fazie ciekłej”. „Połączenie sił z kilkoma instytutami umożliwiło nam obserwację procesów zachodzących na powierzchni elektrody różnymi metodami – a to połączenie było kluczem do sukcesu” – mówi profesor Tong Li, kierownik Katedry Charakterystyki w Skali Atomowej na Uniwersytecie Ruhr w Bochum. Jest ekspertem w dziedzinie tomografii z sondą atomową, metody pozwalającej na wizualizację przestrzennego rozkładu materiałów atom po atomie. Zespół połączył tę metodę z transmisyjną mikroskopią elektronową, rentgenowską absorpcją drobnych struktur i rentgenowską spektroskopią fotoemisyjną.
Wsiadaj i wysiadaj: jak pasażer autobusu
Grupa wykazała, że mangan rozpuszcza się z powierzchni spinelu kobaltu podczas reakcji, a następnie ponownie się na niej osadza. „To jak pasażer autobusu, który ciągle wsiada i wysiada” – ilustruje Tong Li.
