07.11.2023
Neuer Reaktionsmechanismus für Sauerstoffgasentwicklung
Die Effizienz der elektrochemischen Produktion von Wasserstoff mittels Elektrolyse wird limitiert durch die komplexe Sauerstoffgasentwicklung, in der nacheinander vier Elektronen und vier Protonen mithilfe eines Katalysators übertragen werden. Theoretische Studien treffen basierend auf der Modellierung von Reaktionsmechanismen Aussagen zur Wirkungsweise von Katalysatoren.
Damit beschleunigen sie die Suche nach neuen Materialien für diese Reaktion. CENIDE-Mitglied Prof. Dr. Kai S. Exner aus der Theoretischen Anorganischen Chemie der Universität Duisburg-Essen (UDE) konnte nun eine Brücke zur Organischen Chemie schlagen, indem er das Konzept der Walden-Inversion in mechanistische Analysen der Sauerstoffgasentwicklung einführte. Die zugehörige Arbeit veröffentlichte er im renommierten Fachmagazin Advanced Science.
Nucleophile Substitutionsreaktionen sind ein zentraler Bestandteil der Organischen Chemie und spielen eine entscheidende Rolle für katalytische Prozesse in Lösung. Etliche solcher Substitutionsreaktionen laufen nach dem Prinzip der Walden-Inversion ab: Der Reaktand greift das aktive Zentrum von einer Seite an, das Produkt der Reaktion verlässt das aktive Zentrum auf der entgegengesetzten Seite.
Kai S. Exner, Theoretischer Elektrochemiker an der UDE, hat das Prinzip der Walden-Inversion nun erstmalig in die Untersuchung von katalytischen Prozessen an Festkörperoberflächen implementiert. Im Fokus seiner Untersuchungen steht die Sauerstoffgasentwicklung in Elektrolyseuren. Diese Reaktion bestimmt die Energieeffizienz bei der Elektrolyse von Wasser, da die Überspannung für diesen anodischen Prozess deutlich größer als für die Bildung von gasförmigem Wasserstoff an der Kathode ist.
"Ich war überrascht, dass das Prinzip der Walden-Inversion für die Untersuchung katalytischer Reaktionen an Festkörperelektroden bisher nicht in theoretischen Modellierungen berücksichtigt wurde", erläutert Exner. In seiner Forschung konnte er aufzeigen, dass insbesondere hochaktive Katalysatoren für die Sauerstoffgasentwicklung einem Reaktionsmechanismus folgen, der die Walden-Inversion beinhaltet.
"Dies ist eine wichtige Information für zukünftige Studien, da die Aktivität von Festkörperkatalysatoren nur dann richtig beschrieben wird, wenn der energetisch bevorzugte Reaktionsmechanismus in der Analyse berücksichtigt wird", führt Exner aus. In Zukunft erhofft er sich davon die Identifizierung von aktiveren Katalysatoren für die Sauerstoffgasentwicklung mittels theoretischer Modellierung und Simulation.
"Unsere Modellierungen können direkt von experimentellen Gruppen überprüft werden, denen wir unsere Ergebnisse zur Verfügung stellen." Exners Arbeiten fließen unter anderem ein in den Sonderforschungsbereich/Transregio Heterogene Oxidationskatalyse in der Flüssigphase, an dem Forschende der UDE maßgeblich beteiligt sind. Dieser Forschungsverbund untersucht katalytische Prozesse an der Fest/Flüssig-Grenzfläche, um chemische Prozesse nachhaltiger und effizienter zu gestalten.
Quelle: Center for Nanointegration Duisburg-Essen (CENIDE)