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Elektrochemie: Booster für die Elektrolyse

Die Anordnung der Wassermoleküle um eine Elektrode beeinflusst entscheidend, wie viel Wasserstoff per elektrischer Spaltung entsteht. Die Zugabe geeigneter Ionen kann diese Ordnung beeinflussen und die Gasproduktion ankurbeln.
Wasserstoffmoleküle

Chemische Reaktionen lassen sich auf verschiedene Arten in Gang setzen oder beschleunigen. Bei der Elektrokatalyse taucht man dazu eine feste Elektrode in eine Flüssigkeit und erzeugt an der Grenzfläche ein elektrisches Potenzial. In der Folge läuft eine Reaktion ab, es wird also elektrische Energie in chemische umgewandelt. Mit Strom aus erneuerbaren Quellen ließe sich auf diese Weise etwa klimafreundlich Wasserstoff gewinnen. Damit könnte die Technik grundlegend zu einer nachhaltigen Wirtschaft beitragen.

Um die Reaktion besser und effizienter zu machen, muss man allerdings genau wissen, welche molekularen Prozesse an der Grenzschicht zwischen Wasser und Elektrode ablaufen. Eine Forschungsgruppe um Yao-Hui Wang von der Xiamen University und Shisheng Zheng von der Universität Peking (beide in China) ist jetzt der Lösung dieses Rätsels ein großes Stück näher gekommen. Nach ihren Erkenntnissen ist es für die Geschwindigkeit der Reaktion entscheidend, wie sich die Wassermoleküle direkt an der Grenzschicht zwischen Elektrode und wässriger Lösung (dem Elektrolyten) anordnen – und diese Ordnung lässt sich beeinflussen. Damit lassen sich möglicherweise elektrokatalytisch aktive Grenzflächen entwickeln, an denen Reaktionen selektiver ablaufen und die weniger Energie benötigen.

In flüssigem Wasser sind die einzelnen Moleküle über relativ schwache Anziehungskräfte, die Wasserstoffbrückenbindungen, miteinander zu einem Netzwerk verbunden. Darauf basieren viele der physikalisch-chemischen Eigenschaften, die den Stoff so einzigartig machen. Jedes Wassermolekül kann vier solcher spezieller Bindungen ausbilden, solange es sich inmitten von weiteren Wassermolekülen befindet. Direkt am Übergang zu einem Gas, Feststoff oder einer anderen Flüssigkeit hingegen hat es dafür weniger Bindungspartner zur Verfügung. Die Wasserteilchen, die direkt an der Grenzfläche und in den nächsten Schichten sitzen, haben daher andere »Nachbarn« als jene im großen Rest der Flüssigkeit. Fachleute sprechen von unterschied­lichen Strukturmotiven.

Dank spezieller spektroskopischer Techniken wissen wir heute …

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