Digitale Entdeckung erschließt langlebigen Katalysator für die Spaltung von saurem Wasser

Ein Forschungsteam hat eine neue Methode entwickelt, um die Entdeckung erschwinglicher, stabiler Materialien zu beschleunigen, die die Produktion von sauberem Wasserstoff unterstützen. Ihr Ansatz könnte dazu beitragen, Wasserstoff – eine vielversprechende saubere Energiequelle – breiter zugänglich zu machen, indem die Abhängigkeit von teuren Edelmetallen verringert wird. Wasserstoff kann durch Wasserspaltung hergestellt werden, ein Prozess, bei dem Wassermoleküle mithilfe von Elektrizität in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten werden. Dieser Prozess umfasst zwei Schlüsselreaktionen: die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) und die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER). Während einige Metalloxide – Verbindungen aus Metallen und Sauerstoff – Potenzial als kostengünstige Katalysatoren gezeigt haben, zersetzen sie sich häufig in den sauren Umgebungen, die typischerweise für die industrielle Wasserspaltung verwendet werden. Um dieser Herausforderung zu begegnen, entwarf das Team einen „Closed-Loop“-Prozess. Forschungsrahmen, der mehrere Phasen der Katalysatorentwicklung zusammenführt. Dazu gehört die Identifizierung vielversprechender Kandidaten mithilfe von Datenanalysen, das Testen ihres Verhaltens unter realen Betriebsbedingungen und die Bestätigung ihrer Leistung durch Laborexperimente. Alle Schritte sind durch ein digitales System verbunden, das kontinuierliches Lernen und Verbesserung ermöglicht. „Im Mittelpunkt unserer Arbeit steht eine datengesteuerte Plattform namens DigCat“, sagt er. erklärt Hao Li, Professor am Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) der Tohoku-Universität. „Es hilft uns, ein breites Spektrum an Materialien effizient zu erforschen, indem es vorhersagt, wie sich ihre Oberflächen während der Wasserspaltung verhalten, was oft der Schlüssel zu ihrer Wirksamkeit ist.“ Mit diesem Ansatz identifizierten die Forscher eine Verbindung namens RbSbWO₆ als besonders vielversprechender Katalysator. Es zeigte eine starke Leistung sowohl für OER als auch für HER unter sauren Bedingungen – etwas, das bei kostengünstigen, unmodifizierten Metalloxiden selten vorkommt. Bemerkenswert ist, dass das Material auch nach längerem Gebrauch strukturell stabil blieb, eine wichtige Voraussetzung für praktische Anwendungen. Die Forscher betonen, dass der gesamte Prozess – vom Computerscreening bis zur Laborvalidierung – die Leistungsfähigkeit der Kombination digitaler Werkzeuge mit experimenteller Arbeit zeigt. „Wir suchen nicht nur nach besseren Materialien“, sagte er. sagt Li. „Wir entwickeln auch eine intelligentere Möglichkeit, sie zu finden.“ Über die Wasserspaltung hinaus kann der Rahmen des Teams auch an andere wichtige chemische Reaktionen angepasst werden, etwa an die Umwandlung von Kohlendioxid in nützliche Brennstoffe oder die Herstellung von Ammoniak aus Stickstoff. Diese Reaktionen sind von zentraler Bedeutung für nachhaltige Energie- und Umwelttechnologien. In der nächsten Phase der Forschung geht es um die Erweiterung der Oberflächenzustandsdatenbank und die Anwendung der Methode auf andere Materialsysteme. „Indem wir mehr darüber erfahren, wie sich Oberflächen bei Reaktionen verhalten, können wir verborgene Potenziale in Materialien aufdecken, die bisher übersehen wurden“, sagt er. sagt Li. Das Team hofft, dass diese Strategie den Fortschritt hin zu erschwinglichen, effizienten Lösungen für die globale Energiewende beschleunigen wird.