Cobalt-/Mangan-Katalysatoren für die Sauerstoffevolution

Um den CO2-Ausstoß zu verringern, ist es vonnöten, die Abhängigkeit von fossilen Treibstoffen wie Öl oder Erdgas zu reduzieren. Alternative, erneuerbare Energiequellen wie Wind- oder Solarenergie bringen jedoch andere Probleme mit sich: sie generieren nicht kontinuierlich Strom, sondern nur mit Unterbrechungen (z.B. Windanlagen bei Flaute). Da bei Verbrauchern rund um die Uhr Bedarf an Elektrizität besteht, muss die überschüssige Energie nach ihrer Produktion zwischengespeichert werden. Eine Möglichkeit hierfür ist, Wasser per Elektrolyse in seine Elemente, Wasserstoff und Sauerstoff, zu spalten und den Wasserstoff als speicherbaren Energieträger zu verwenden. Dieser kann z.B. mit Hilfe von Brennstoffzellen wieder in Strom umgewandelt werden, oder aber in der chemischen Industrie zur Produktion verschiedener Stoffe und Materialien eingesetzt werden (bisher wird der Großteil des Wasserstoffs auch aus fossilen Quellen bezogen). Die Wasserspaltung ist allerdings ineffizient, da die Entwicklung von Sauerstoff (Sauerstoffevolution) im Gegensatz zur Freisetzung des Wasserstoffs äußerst träge ist und damit die gesamte Reaktion beeinträchtigt. Dadurch muss mehr Energie für die Spaltung aufgewandt werden, wodurch dieser Prozess nicht mehr rentabel ist. Die Lösung hierfür ist, Katalysatoren für die Sauerstoffevolution einzusetzen, welche den Energieaufwand erheblich senken und die Reaktion beschleunigen können. Jedoch bestehen die meisten bisher verwendeten Katalysatoren aus Edelmetallen (z.B. Platin), was sie extrem teuer macht. Deshalb gibt es Bestrebungen, sie gegen günstigere Materialien wie Cobalt oder Mangan zu tauschen. Obwohl bekannt ist, dass Cobalt- und Mangan-haltige Materialien bessere Katalysatoren sein können als die teuren Edelmetalle, es noch nicht geklärt, weshalb sie so gut funktionieren. Das Ziel dieses Projektes ist es, die Mechanismen hinter der Sauerstoffevolution auf Cobalt-/Mangan-Katalysatoren zu entschlüsseln. Hierfür werden modernste Techniken eingesetzt, um die die Katalysatoren während der Reaktion mittels röntgenspektroskopischer und mikroskopischer Methoden zu untersuchen. Mit Hilfe dieser Experimente können chemische Änderungen, wie beispielsweise die Bildung von Übergangszuständen, welche den benötigten Energieaufwand senken, nachverfolgt werden, um die Reaktionswege zu bestimmen. Dieses Wissen kann wiederum dazu verwendet werden, in Zukunft gezielt noch bessere Katalysatoren zu entwerfen.