Wasserstoff könnte eine zentrale Rolle in der Energiewende spielen. Doch um ihn klimafreundlich aus Wasser zu gewinnen, braucht es Katalysatoren, die nicht nur effizient, sondern auch langlebig sind. Jasmin Finkelmeyer und Martin Presselt haben mit einem Team der University of Illinois Chicago eine neue Materialkombination untersucht, die genau das ermöglichen könnte. 

Katalysatoren sind entscheidend für die elektrochemische Spaltung von Wasser. Sie sorgen dafür, dass sich Wassermoleküle effizient in ihre Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zerlegen. Viele der bisher genutzten Katalysatoren basieren jedoch auf seltenen Metallen wie Platin und sind anfällig für Zersetzung oder Verklumpung in Lösung. „Unser Ziel ist es, nachhaltigere Alternativen zu finden“, sagt PD Dr. Martin Presselt. „Dafür haben wir mit unseren hoch-empfindlichen Messungen in einer Kooperation mit dem Team um Ksenija Glusac von der University of Illinois Chicago dazu beigetragen, die Stabilität und elektronischen Eigenschaften der Materialien besser zu verstehen.” 

Die Forschenden kombinierten Graphen-Nanobänder, ultradünne Kohlenstoffstrukturen, mit einem Rhodium-basierten Katalysator. „Die von der Glusac-Gruppe initiierte Idee war es, Katalysatormoleküle an eine leitfähige Struktur zu koppeln, die ihre Stabilität und elektronischen Eigenschaften verbessert. Wir haben dazu beigetragen, mit außergewöhnlich sensitiven Messungen die Wechselwirkungen genauer zu analysieren, erklärt Dr. Jasmin Finkelmeyer. „Graphen-Nanobänder bieten sich dafür besonders an, weil sie elektrisch leitfähig und chemisch robust sind.“ 

Tatsächlich zeigte sich: Die Bindung an Graphen verhinderte, dass sich die Katalysatormoleküle zusammenlagern, was ihre Aktivität langfristig erhält. Zudem ermöglichten die Nanobänderänder eine kontrollierte Elektronenverteilung, wodurch der Katalysator effizienter arbeitet. 

Die richtige Balance finden 

Ein entscheidender Vorteil: Das neue Material bleibt über einen weiten pH-Bereich hinweg stabil. Während viele Katalysatoren nur in stark sauren oder alkalischen Lösungen effektiv sind, bleibt die hier untersuchte Kombination auch unter neutralen Bedingungen aktiv. „Das macht die Technologie vielseitiger einsetzbar“, so Martin Presselt. 

Allerdings gilt es, das Design gezielt abzustimmen. „Wenn ein Material schlecht designt ist, laufen die Relaxationsprozesse schneller ab als die eigentlichen chemischen Reaktionen, die wir antreiben wollen“, erklärt Martin Presselt. „Wir müssen also genau die richtige Balance zwischen elektronischer Kopplung und Reaktivität finden.“ 

Ein Schritt hin zu nachhaltigem Wasserstoff 

Die Wasserstoffproduktion steht vor der Herausforderung, effizienter und kostengünstiger zu werden. Ein stabiler, leistungsfähiger Katalysator könnte dazu beitragen, Elektrolyseure langlebiger zu machen – und damit langfristig die Herstellung von grünem Wasserstoff wirtschaftlicher. 

„Die Studie zeigt, dass die Wahl des Trägermaterials einen großen Einfluss auf die Leistung des Katalysators hat“, sagt Jasmin Finkelmeyer. „Das Forschungsteam hat hier einen vielversprechenden Ansatz gefunden, den wir nun weiterentwickeln wollen.“  

CataLight: Gemeinsam forschen für neue Katalysatoren  

Die Studie entstand im Sonderforschungsbereich CataLight, einer Kooperation der Universitäten Jena und Ulm mit weiteren Partnern. Das Forschungsnetzwerk untersucht, wie lichtgetriebene katalytische Prozesse optimiert werden können – inspiriert von der natürlichen Photosynthese. „Wir wollen nicht nur einzelne Katalysatoren verbessern, sondern auch die Grundprinzipien der Materialentwicklung besser verstehen“, sagt Martin Presselt. „Unser Ziel ist es, nachhaltige Alternativen zu bestehenden Systemen zu finden.“ 

Askins, E. J., Sarkar, A., Navabi, P., Kumar, K., Finkelmeyer, S. J., Presselt, M., Cabana, J., & Glusac, K. D. (2024). Interfacial electrochemistry of catalyst-coordinated graphene nanoribbons. Journal of the American Chemical Society, 146(32), 22360–22373. https://doi.org/10.1021/jacs.4c05250