Die Elektrolyse, die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mittels Stroms ist ein bewährtes Verfahren, aber energietechnisch noch nicht ausgereizt. Zwar liegt die theoretisch benötigte Spannung bei 1,23 Volt, in der Praxis sind jedoch oft 1,5 bis 1,6 Volt notwendig. Diese Diskrepanz ist kostspielig und bremst die wirtschaftliche Nutzung.
Ein Forschungsteam um Franz Geiger hat nun eine zentrale Ursache identifiziert. Vor der Sauerstofffreisetzung müssen sich die Wassermoleküle um ihre Achse drehen, um ihre Sauerstoffatome zur Elektrode auszurichten. Erst dann kann die Sauerstoffentwicklungsreaktion erfolgen. Diese Rotation erfordert eine erhebliche Menge Energie vergleichbar mit der, die Wassermoleküle im flüssigen Zustand zusammenhält.
Sichtbarmachung durch Lasertechnologie
Ermöglicht wurde dieser Einblick durch ein neuartiges Analyseverfahren, die phasenaufgelöste zweite harmonische Generation. Mit dieser Lasertechnologie konnten die Forschenden in Echtzeit beobachten, wann und wie viele Moleküle ihre Orientierung ändern. Diese Daten liefern erstmals eine präzise energetische Quantifizierung der Rotation. Ein Meilenstein für die Weiterentwicklung effizienterer Elektrolyseverfahren.
Besonderes Augenmerk galt dabei der Hämatit-Elektrode, einem kostengünstigen Eisenoxid, das trotz vielversprechender Eigenschaften bislang unter geringer Effizienz litt. Die neue Analyse legt nun offen, wo Optimierungspotenzial besteht.
Basischer pH-Wert als Hebel zur Effizienzsteigerung
Ein weiterer Schlüsselfaktor, der pH-Wert der Lösung. Die Studie zeigt, dass ein basisches Milieu, also ein pH-Wert über 9, die für die Molekülrotation nötige Energie erheblich reduziert. Damit steigt die Effizienz der Sauerstoffentwicklungsreaktion deutlich. Unterhalb dieser Schwelle läuft die Elektrolyse kaum noch ab.
Diese Erkenntnis eröffnet neue Perspektiven für die industrielle Wasserstoffproduktion. In Kombination mit gezielten Katalysatoren und fortschrittlichen Zellmaterialien lassen sich Elektrolyseanlagen künftig ressourcenschonender und wirtschaftlicher betreiben.
