Energie aus Wasserstoff
Wie Wasser auf der Nanoskala in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird
Die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff an einer elektrochemischen Elektrode ist das Herzstück der erneuerbaren Energien. Die Kenntnis der molekularen Struktur und der Ausrichtung der Wassermoleküle an einer Elektrodenoberfläche ist von grundlegender technologischer Bedeutung und ein Rätsel der Oberflächenwissenschaft. Dies lässt sich auf die Herausforderung zurückführen, die verdeckte Elektroden-Wasser-Grenzfläche zu untersuchen. Wissenschaftler*innen am Max-Planck-Institut für Polymerforschung haben diese Herausforderung mit Hilfe der von ihnen entwickelten ultraschnellen Laserspektroskopie gemeistert. Sie haben die chemischen und physikalischen Vorgänge an der Elektroden-Wasser-Grenzfläche aufgeklärt.
Brennstoffzellen oder Autos, die mit Wasserstoff betrieben werden: Die Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff - die so genannte "elektrochemische Wasserspaltung" - könnte ein wichtiger Baustein in einer künftigen Energiewirtschaft sein. Die Chemie und Physik der Wasserspaltung gehört zwar zum Standardlehrplan in der Schule, ist aber auf mikroskopischer Ebene nur wenig verstanden.
Deshalb hat die Forschungsgruppe um Yuki Nagata und Mischa Bonn nun die Wassermoleküle im Kontakt mit einer elektrochemischen Graphenelektrode mit modernster Laserspektroskopie untersucht. Die Wassermoleküle (H2O), die jeweils aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom bestehen und in einer Dreiecksform angeordnet sind, können in Sauerstoff- und Wasserstoffmoleküle umgewandelt werden, wenn eine Spannung an die Elektrode angelegt wird.
Einblicke in die mikroskopische Struktur und Ausrichtung der Wassermoleküle in der Nähe der Elektrode sind für das Verständnis und die Verbesserung der Wasserspaltung unerlässlich. Die Untersuchung der wenigen Wassermoleküle direkt an der Elektrode stellt jedoch eine große Herausforderung dar. Um die Wassermoleküle in der Nähe der Elektrode selektiv zu untersuchen, verwendeten die Forscher die Summenfrequenzspektroskopie (SFG). Dabei werden zwei Laserstrahlen mit unterschiedlichen Farben auf das Wasser in der Nähe der Elektrode fokussiert. Das reflektierte Licht - mit noch einer dritten Farbe - enthält Informationen über die Struktur der Wassermoleküle in der Nähe der Elektrode. Die Wissenschaftler*innen verwendeten atomar dünnes Graphen als transparente Elektrode, damit das Licht die Grenzfläche zwischen Elektrode und Wasser erreicht. Mit Hilfe dieses Schemas konnte das Team die chemischen und physikalischen Vorgänge an der Elektroden-Wasser-Grenzfläche aufklären.
Bemerkenswerterweise fanden die Forscher spezifische OH-Gruppen, die auf die Wasserphase hin zeigen, die jedoch nicht mit dem Wasser wechselwirken. Außerdem wurden diese OH-Gruppen unter Bedingungen beobachtet, bei denen man erwarten würde, dass die OH-Gruppen des Wassers von der Wasserphase wegzeigen. Diese kontraintuitive Beobachtung ist der Schlüssel zu dem Rätsel, das sich in der 1/10000000 cm dicken Wasserschicht nahe der Elektrode abspielt.
Die Lösung des Rätsels besteht darin, dass Elektronen an der Graphenelektrode in das Wasser abgegeben werden, Wasserstoff erzeugen und dadurch den pH-Wert verändern. Diese pH-Änderung ist sehr gering. Sie findet direkt an der Elektrodengrenzfläche statt und hat keinen Einfluss auf die pH-Änderung in der Masse. Der pH-Wert in der 1/10000000 cm dicken Wasserschicht in der Nähe der Elektrode wird jedoch durch eine solche Freisetzung von Elektronen aus der Elektrode stark beeinflusst. Insbesondere entstehen durch den Anstieg des pH-Werts Hydroxylgruppen (OH-Gruppen), die sich an das Substrat, das das Graphen trägt, anlagern können. Diese OH-Gruppen weisen auf das Wasser hin, können aber aufgrund der Anwesenheit von Graphen nicht direkt mit ihm interagieren.
Die Arbeit zeigt direkt die Reorganisation von Wasser auf einer elektrochemischen Elektrodenoberfläche auf und verdeutlicht die molekularen Auswirkungen der chemischen Reaktion (pseudokapazitiver Prozess) an der Grenzfläche zwischen Elektrode und wässrigem Elektrolyten. Die Ergebnisse sind für eine Vielzahl wissenschaftlicher und technologischer Systeme von Bedeutung, z. B. für die Wasserentsalzung, die Biosensorik, die Energiespeicherung und die Katalyse.
