Efficient oxygen evolution reaction of FeCoNiWx medium entropy alloy film electrodes for water splitting

Die Welt hungert nach sauberer Energie, und einer der vielversprechendsten Wege, diese zu gewinnen, besteht darin, Wasser mithilfe von Elektrizität in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Dieser Prozess, bekannt als Wasserspaltung, kann erneuerbare Energie aus Sonne oder Wind in einen Brennstoff verwandeln, der ohne Kohlenstoffemissionen verbrennt. Das Verfahren hat jedoch einen hartnäckigen Engpass: Die Herstellung von Sauerstoff aus Wasser ist langsam und schwierig. Es ist ein erheblicher Energieaufwand erforderlich, bekannt als Überpotenzial, um die Reaktion in Gang zu setzen. Um diese Technologie praktikabel zu machen, benötigen Wissenschaftler Materialien, die als effiziente Katalysatoren fungieren können, indem sie die Reaktion beschleunigen, ohne Energie zu verschwenden. Jahrzehntelang wurden die besten Leistungen von Materialien erbracht, die aus seltenen und teuren Metallen wie Ruthenium und Iridium bestehen. Die Herausforderung für die moderne Wissenschaft besteht darin, einen Ersatz zu finden, der günstig, reichlich vorhanden und ebenso effektiv ist – idealerweise aus gewöhnlichen Metallen wie Eisen, Kobalt und Nickel.

Ein Forschungsteam der Beihang-Universität und der Xinyang Normalen Universität hat einen Schritt zur Lösung dieses Problems unternommen, indem es eine neue Art von dünnem Metallfilm entwickelt hat. Sie konzentrierten sich auf eine Klasse von Materialien, die als Medium-Entropy-Legierungen bezeichnet werden – Mischungen aus mehreren Metallen, die einzigartige lokale Umgebungen für chemische Reaktionen schaffen. Während frühere Studien untersucht hatten, vier oder fünf Metalle miteinander zu mischen, entschied sich dieses Team für eine spezifische Kombination aus Eisen, Kobalt und Nickel und fügte dann sorgfältig eine vierte Zutat hinzu: Wolfram. Durch die Veränderung der Menge an Wolfram in der Mischung wollten sie den „Sweet Spot“ finden, an dem das Material am effizientesten bei der Erzeugung von Sauerstoff ist. Das Ergebnis ist ein Film, der nicht nur besser als seine Vorgänger abschneidet, sondern auch zeigt, wie die Zugabe eines einzelnen Elements die Art und Weise, wie Elektronen während der Reaktion interagieren und sich bewegen, grundlegend verändern kann.

Die Forscher stellten ihre Materialien mit einer Technik namens Magnetron-Sputtern her, bei der ein Target-Material mit Ionen in einem Vakuum beschossen wird, um eine dünne, gleichmäßige Schicht auf ein schwammartiges Nickel-Schaum-Substrat abzuscheiden. Sie begannen mit einem Basisfilm aus Eisen, Kobalt und Nickel und erstellten eine Reihe von Proben, indem sie unterschiedliche Mengen an Wolfram-Targets in den Sputterprozess einbrachten. Dies ermöglichte es ihnen, Filme mit variierenden Mengen an Wolfram herzustellen, die von gar keinem Anteil bis hin zu einer sehr hohen Konzentration reichten. Sobald die Filme hergestellt waren, unterzogen sie diese einem strengen Testverfahren in einer Lösung aus Kaliumhydroxid, einer gängigen alkalischen Flüssigkeit, die diese Reaktionen erleichtert. Um sicherzustellen, dass die Materialien stabil und bereit für die Messung sind, ließen sie den elektrischen Strom mehrmals durch die Filme laufen – ein Prozess, der die Oberfläche des Katalysators effektiv „rekonstruiert“ und ihn von einem glatten Film in eine strukturierte, blumenähnliche Struktur mit winzigen Nanopartikeln verwandelt.

Die Ergebnisse zeigten ein klares Muster: Die Menge an Wolfram war entscheidend. Das Team maß, wie viel zusätzliche Spannung benötigt wurde, um die Reaktion bei einer bestimmten Geschwindigkeit voranzutreiben. Die Probe ohne Wolfram erforderte einen relativ hohen Energieaufwand. Mit der Zugabe von mehr Wolfram sank der benötigte Energieaufwand stetig und erreichte seinen Tiefpunkt bei einer spezifischen Zusammensetzung, bei der das Verhältnis von Eisen, Kobalt, Nickel und Wolfram etwa eins zu eins zu eins zu fünf betrug. Diese optimale Probe benötigte nur 264 Millivolt an zusätzlicher Spannung, um die Aufgabe zu erfüllen, was eine signifikante Verbesserung gegenüber der undotierten Version darstellt. Die Forscher stellten jedoch fest, dass das Hinzufügen von noch mehr Wolfram über diesen Punkt hinaus die Leistung wieder verschlechterte, was darauf hindeutet, dass es eine präzise Grenze gibt, wie viel dieses Elements von Nutzen sein kann, bevor es beginnt, die aktiven Zentren zu verstopfen oder die Struktur zu stören.

Um zu verstehen, warum diese spezifische Mischung so gut funktionierte, untersuchten die Wissenschaftler die physikalischen und chemischen Veränderungen ganz genau. Unter einem Mikroskop offenbarte der leistungsstärkste Film eine Oberfläche, die mit winzigen, porösen, blumenähnlichen Strukturen bedeckt war, die viel kleiner und zahlreicher waren als die auf den anderen Proben. Diese vergrößerte die Oberfläche bedeutete, dass es mehr Stellen gab, an denen die Wassermoleküle anhaften und reagieren konnten. Doch die physische Form war nur ein Teil der Geschichte. Durch die Analyse der Energiezustände der Elektronen innerhalb des Materials entdeckte das Team, dass die Wolframatome als Katalysator für den Katalysator selbst wirkten. Das Wolfram zog Elektronen von den Eisenatomen weg und drückte sie in Richtung der Nickel- und Kobaltatome. Diese Verschiebung half dabei, hochaktive Formen von Eisen zu erzeugen, die exzellent darin sind, die Reaktion voranzutreiben. Darüber hinaus hob die Anwesenheit von Wolfram das Energieniveau der Elektronen der Nickelatome an, was sie effektiver an die Zwischenschritte der Reaktion binden ließ und somit den gesamten Prozess beschleunigte.

Die Studie bestätigte auch, dass diese Verbesserungen keine flüchtigen Effekte waren. Als die Forscher die beste Probe über einen langen Zeitraum testeten, behielt sie ihre Leistung mit fast keinem Effizienzverlust bei, was bewies, dass das Material für den realen Einsatz robust genug ist. Die Ergebnisse legen nahe, dass Wissenschaftler durch die sorgfältige Abstimmung der Zusammensetzung dieser Metalllegierungen Materialien entwerfen können, die weitaus effizienter sind als die oft verwendeten zufälligen Mischungen. Die Arbeit verdeutlicht, dass die Zugabe von Wolfram nicht bloß eine passive Füllung ist, sondern ein aktiver Regulator, der die elektronische Landschaft des Katalysators neu gestaltet. Diese Erkenntnis bietet einen klaren Weg für die Gestaltung der nächsten Generation von Wasserspaltungsgeräten und führt uns näher an eine Zukunft, in der sauberer Wasserstoff als Brennstoff effizient und erschwinglich produziert werden kann.