Bei Untersuchungen zu Co-Cr-Spinelloxid-Elektrokatalysatoren zeigte sich, dass Veränderungen der Materialoberfläche während der Sauerstoffentwicklungsreaktion maßgeblich zur Stabilität und Aktivität des Katalysators beitragen. Im Zentrum der Analyse stand die Rolle von Chrom, das selbst nicht an der Reaktion beteiligt ist, dessen kontinuierliche Auflösung jedoch eine dauerhafte Aktivierung des Kobalts im Material ermöglicht.
An der Forschungsarbeit waren Wissenschaftler der Ruhr-Universität Bochum, der Max-Planck-Institute für Nachhaltige Materialien in Düsseldorf und für Kohlenforschung in Mülheim, des Forschungszentrums Jülich sowie des Helmholtz-Instituts für Erneuerbare Energien in Erlangen-Nürnberg beteiligt. Gemeinsam untersuchten sie mit komplementären Analyseverfahren die strukturellen Veränderungen der Elektrokatalysatoren und deren Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit.
Co-Cr-Spinelloxid als kostengünstige Alternative
Co-Cr-Spinelloxid ist ein aus Kobalt, Chrom und Sauerstoff aufgebauter Stoff mit Spinell-Kristallstruktur, in der die Metallionen in definierter Weise mit Sauerstoffionen verbunden sind. Aufgrund dieser Struktur eignet sich das Material als Elektrokatalysator für die Sauerstoffentwicklungsreaktion in der Wasserelektrolyse. Im Vergleich zu häufig eingesetzten Edelmetalloxiden bietet es eine kostengünstigere Option für den Einsatz an der Anode.
Bislang zeigten kobaltbasierte Spinelloxide jedoch häufig eine schnelle Abnahme der Aktivität unter Reaktionsbedingungen. Die vorliegende Untersuchung macht deutlich, dass Chrom selbst nicht katalytisch an der Sauerstoffentwicklung beteiligt ist, dennoch aber einen wesentlichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Elektrokatalysatoren besitzt. Dieser Einfluss ergibt sich aus den strukturellen Veränderungen, die das Element während des Betriebs auslöst.
Chromauflösung stabilisiert Elektrokatalysatoren langfristig
Während der Sauerstoffentwicklungsreaktion löst sich Chrom kontinuierlich aus dem Co-Cr-Spinelloxid heraus und führt zur Bildung von Oxyhydroxid an der Materialoberfläche. Dieser Prozess wirkt sich stabilisierend auf den Elektrokatalysator aus und verhindert den sonst üblichen raschen Aktivitätsverlust.
Zentral ist dabei die reversible Umwandlung zwischen Hydroxid- und Oxyhydroxid-Zuständen. Diese dynamische Oberflächenveränderung aktiviert das im Spinelloxid enthaltene Kobalt und hält die katalytische Aktivität über lange Zeiträume aufrecht. Die Auslaugung von Chrom erweist sich somit als funktionaler Bestandteil des Wirkmechanismus der Elektrokatalysatoren.
Atomare Analyse eröffnet neue Perspektiven für Elektrokatalysatoren
Zur Aufklärung der beschriebenen Mechanismen kombinierten die Forschenden mehrere hochauflösende Analyseverfahren. Eine Schlüsselrolle spielte die Atomsondentomografie, mit der sich die räumliche Verteilung der Elemente atomgenau darstellen lässt. Ergänzend kamen Transmissionselektronenmikroskopie, spezielle Röntgenabsorptionsverfahren, Photoemissions- und Raman-Spektroskopie sowie elektrochemische Messungen zum Einsatz.
Die Ergebnisse dieser kombinierten Analysen zeigen, dass die kontinuierliche Chromauflösung die Aktivität und Stabilität von Kobalt-Spinelloxid-Elektrokatalysatoren erheblich verbessert. Das gewonnene atomare Verständnis bildet eine zentrale Grundlage für die gezielte Weiterentwicklung langlebiger Elektrokatalysatoren, insbesondere mit Blick auf Anwendungen in der Wasserstoffproduktion.
Originalpublikation: Biao He et al.: Atomic-Scale Insights Into Surface Reconstruction and Transformation in Co-Cr Spinel Oxides During the Oxygen Evolution Reaction, in: Nature Communications, 2025, DOI: 10.1038/s41467-025-65626-x