Dr. Dandan Gao, Nachwuchsgruppenleiterin und Walter Benjamin-Stipendiatin der DFG am Department Chemie, und ihr Team haben einen alternativen Katalysator für die Wasserelektrolyse entwickelt: Mit Kobalt und Wolfram besteht er aus leicht zugänglichen, kostengünstigen Materialien. „Das Einzigartige ist: Während herkömmliche Katalysatoren ihre Leistung beibehalten – oder sogar etwas davon verlieren, weil sie nicht stabil genug sind –, steigert unser Katalysator seine Leistung mit der Zeit“, erklärt Gao. „Nach der Optimierung ist die Aktivität sogar höher als bei herkömmlichen Katalysatoren.“ Die Ergebnisse wurden kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht.

Der Grund für diese Selbstoptimierung liegt darin, dass sich die chemische Natur des katalysierenden Kobalt-Wolfram-Oxids durch die Wasserspaltung verändert: Während Kobalt zunächst vor allem als Co²⁺ vorlag, wandelte es sich zunehmend in Co³⁺ um und auch bei Wolfram verschob sich das Verhältnis von W⁵⁺ zu W⁶⁺. „Bei der Spaltung von Wasserstoff laufen zwei Reaktionen ab: die Wasserstoffreaktion und die Sauerstoffreaktion. Die Sauerstoffreaktion ist der Engpass für die Gesamtreaktion, weshalb wir motiviert sind, einen fortschrittlichen Katalysator dafür zu entwickeln“, so Gao.

Während die Sauerstoffreaktion zunächst an Wolfram als primär aktiver Stelle des vorgestellten Katalysators abläuft, verlagert sie sich im Lauf der Zeit auf Kobaltatome. Auch die aktive Oberfläche des Katalysators und deren Hydrophilie nehmen durch die Wasserspaltung zu, was für die elektrochemische Wasserspaltung äußerst hilfreich ist. „Insgesamt können wir deutlich reduzierte Überspannungen und erhöhte Stromdichten feststellen, begleitet von einer erheblichen Steigerung der Reaktionskinetik der Sauerstoffentwicklung“, fasst Gao zusammen.