Wie man Wasser spaltet

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung haben sich die auf molekularen Längenskalen ablaufenden Prozesse genauer angesehen, die für die Wasserstofferzeugung wichtig sind.

Es ist mal wieder Urlaubszeit. Auf den Straßen herrscht dichter Verkehr, viele zieht es in Richtung Süden. Doch von stickiger Luft keine Spur. Wir schreiben das Jahr 2050. Das Brennstoffzellenauto ist Alltag und die Energie für den Motor wird aus Wasserstoff gewonnen. Wasserstoff-Ladestationen haben das Netz von Tankstellen mit fossilen Brennstoffen ersetzt.

Diese Zukunftsvision ist sicher nur eine von vielen möglichen. Und die Frage, woher dafür ausreichend Wasserstoff zu beziehen wäre, ist nach wie vor unbeantwortet. Die einfachste H₂-Quelle ist Wasser, aus dem man mittels elektrochemischer Wasserspaltung reinen Wasserstoff erhalten kann. Doch so einfach der Prozess der Wasserspaltung zunächst klingt: ein mikroskopisches Verständnis davon fehlt bis heute – ist aber essentiell für die zeitnahe Realisierung möglichst effizienter elektrochemischer Energiewandlungssysteme.

Wasserspaltung – eine Blackbox

In der Schule hat jeder das Experiment schon einmal gesehen: Zwei Elektroden werden in Wasser mit etwas Säure getaucht. Legt man nun eine Spannung zwischen den Elektroden an, steigen kleine Bläschen an ihnen auf: Am positiven Pol bildet sich Sauerstoff – also O₂, während am negativen Pol H₂ entsteht. Auch der umgekehrte Prozess wird manchmal gezeigt: Eine Brennstoffzelle erzeugt aus Wasserstoff und Sauerstoff wieder Wasser und generiert dabei Strom, mit dem z. B. ein Motor angetrieben werden kann.

In der Schule wird jedoch nicht erklärt, wie genau Wasser während der Spaltung oder in der Brennstoffzelle an den Elektroden umgewandelt wird – nicht, weil es zu kompliziert wäre, sondern weil es bislang nur wenige exakte Einblicke in diesen Prozess gibt.

In unserer Forschung möchten wir verstehen, wie diese beiden miteinander eng verwandten Prozesse auf mikroskopischen Längenskalen vonstatten gehen und wie sie zeitlich ablaufen. Welche Auswirkungen hat zum Beispiel die Rauigkeit der Elektroden-Oberfläche auf die Effizienz der Reaktion? Wie genau laufen der Spaltungsprozess oder umgekehrt die Verbrennung elektrochemisch ab? Welche Zwischenprodukte entstehen während der Reaktion und verflüchtigen sich wieder? Die Beantwortung solcher Fragen kann maßgeblich dazu beitragen, effizientere und für die jeweilige Reaktion maßgeschneiderte Elektroden zu entwickeln.

Wie man Licht ins dunkle Wasser bringt

Doch wie kann man sich die Wasserspaltung auf einer molekularen Längenskala unter Reaktionsbedingungen anschauen? Und wie erhält man dabei eine chemische Selektivität – kann also unterschiedliche Zwischenprodukte, die während des Prozesses entstehen, nachweisen?

In unserer Forschung nutzen wir hierfür die Raman-Spektroskopie. Die verschiedenen Atome, aus denen Moleküle bestehen, können nämlich - von Laserlicht angeregt - ähnlich wie mit Federn verbundene Kugeln gegeneinander schwingen. Je nach Atomsorte wird zum Anschwingen eine unterschiedliche Menge Energie benötigt, die quasi von der Laserenergie bereitgestellt wird. Das von der Probe zurückgestreute Licht hat so einen molekülspezifischen Fingerabdruck, das Raman-Spektrum.

Oha, OH!

Zur Untersuchung der elektrochemischen Reaktion strahlen wir mit Laserlicht auf eine unter Spannung liegende Elektrodenoberfläche und nehmen alle halbe Sekunde ein Ramanspektrum auf. Hier tauchen nun kurz die Fingerabdrücke verschiedener Moleküle auf und verschwinden wieder. Mit Hilfe von Computersimulationen lassen sich die Spektren spezifischen Zwischenprodukten zuordnen.

Eine unverhoffte Erkenntnis unserer Messungen: Nach Anlegen einer Spannung an eine mit Sauerstoff-Atomen versetzte – d.h. oxidierte - Gold-Elektrode in saurem Wasser finden sich für einige wenige Sekunden Molekülgruppen aus Wasserstoff- und Sauerstoff-Atomen, sogenannte OH-Gruppen, an den Gold-Atomen. Die Bildung solcher OH-Gruppen wurde schon lange theoretisch vorhergesagt, konnte aber experimentell bisher nicht bestätigt werden. Durch unseren Nachweis lässt sich nun die Anzahl möglicher Reaktionswege eingrenzen, was wiederum ermöglicht, effizientere Elektroden zu designen. Unsere Ergebnisse deuten zudem darauf hin, dass OH-Gruppen auch ein wichtiges Zwischenprodukt beim umgekehrten Prozess, also bei der Wasserspaltung, sein könnten.

Spitzenforschung unter Spannung

Diese Messungen beantworten aber noch nicht die Frage, wie die Atome einer Elektrodenoberfläche idealerweise angeordnet sein sollten, um die Effizienz der Wasserspaltung zu optimieren. Hierfür nutzen wir die spitzenverstärke Raman-Spektroskopie, bei der eine dünne, an ihrem Ende nur wenige hundert Atome dicke Metallspitze dicht vor die Oberfläche gefahren wird. Mit dieser Spitze kann die Rauigkeit der Oberfläche abgetastet werden – ähnlich wie ein Finger Braille-Schrift abtastet, nur viel feiner. Zusätzlich sorgt die Spitze als eine Art Lichtantenne dafür, dass genau unter ihr das Raman-Signal verstärkt wird, man also hochlokal den Fingerabdruck von einigen wenigen Molekülen misst.

In unseren Experimenten haben wir eine solche Spitze im Wasser platziert und konnten damit zum ersten Mal eine Elektrodenreaktion auf molekularer Ebene live untersuchen. Es hat sich gezeigt, dass vor allem an winzigen Nano-Rauigkeiten der Prozess der Wasserspaltung besonders effizient abläuft und dass schon atomare Unterschiede in der Oberflächenstruktur zu unterscheidbaren Zwischenprodukten führen – für das Design von optimierten Elektroden wichtige Informationen.

Nicht nur für Wasser interessant

Bislang führen wir unsere Wasser(stoff)-Forschung ausschließlich an Modell-Elektroden durch. Doch jetzt sollen unsere neuentwickelten Untersuchungsmethoden auf andere Elektrodenmaterialien angewandt werden und Einsichten auch in weitere industriell relevante chemischen Prozesse, wie beispielsweise in die Elektrosynthese, liefern – neben dem grundlegen Beitrag zur Gestaltung effizienterer Energiewandlung, der vielleicht auch heute schon einen kleinen, aber wichtigen Schritt in Richtung von wasserstoffbetriebenen Autos darstellt.