Katalytische Wasserspaltung: Neue Erkenntnisse zur aktiven Nickeloberfläche
Nickel gilt als ein vielversprechender, kostengünstiger und widerstandsfähiger Katalysator für die alkalische Wasserelektrolyse, eine zentrale Technologie zur klimaneutralen Wasserstoffproduktion. Bislang war jedoch unklar, wie die aktive Oberfläche von Nickel-Elektroden unter Reaktionsbedingungen tatsächlich beschaffen ist. Ein Forschungsteam der Universität Ulm hat nun eine langjährige Annahme widerlegt: Die katalytisch wirksame Oberfläche besteht nicht aus Nickeloxohydroxid (NiOOH), sondern aus Nickeldioxid (NiO2). Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Catalysis veröffentlicht.
Hintergrund zur Sauerstoffentwicklung bei der Wasserelektrolyse
Bei der elektrochemischen Spaltung von Wasser entsteht an der Kathode Wasserstoff, während an der Anode Sauerstoff freigesetzt wird. „Obwohl der Fokus häufig auf Wasserstoff als klimafreundlichem Energieträger liegt, treten die größten Energieverluste an der Sauerstoffelektrode auf“, erläutert PD Dr. Albert Engstfeld vom Institut für Elektrochemie der Universität Ulm, der die Studie gemeinsam mit Prof. Timo Jacob leitete.
Für die Sauerstoffentwicklungsreaktion sind effiziente Katalysatoren erforderlich. Nickel ist aufgrund seiner hohen katalytischen Aktivität unter alkalischen Bedingungen besonders geeignet. Unter Reaktionsbedingungen bildet Nickel oxidierte Oberflächenstrukturen, deren genaue molekulare Beschaffenheit entscheidend für die Reaktionsmechanismen ist.
Methodik: Operando-Analytik mittels oberflächenverstärkter Raman-Spektroskopie
Zur Klärung der molekularen Struktur der Katalysatoroberfläche wurde die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) eingesetzt. Dabei wird eine dünne Schicht des Materials auf eine raue Goldoberfläche aufgebracht, was die Wechselwirkung mit einem Laser verstärkt und detaillierte Informationen über die Materialstruktur liefert. „Für aussagekräftige Ergebnisse ist es entscheidend, das Material während der Reaktion zu untersuchen“, betont Justus Leist, Doktorand und Erstautor der Studie.
Nickeldioxid statt Nickeloxohydroxid: Korrektur einer langjährigen Annahme
Die bisherige Vorstellung, dass die aktive Oberfläche aus NiOOH besteht, wurde durch Isotopenmarkierung infrage gestellt. Raman-Messungen in normalem Wasser (H2O) und schwerem Wasser (D2O) zeigten keine erwarteten Veränderungen der Schwingungseigenschaften, die bei einer NiOOH-Oberfläche auftreten müssten. Ergänzende elektrochemische Untersuchungen mittels zyklischer Voltammetrie (CV) sowie Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen (DFT) bestätigten diese Beobachtungen.
Die Kombination experimenteller und theoretischer Daten ergab, dass die Oberfläche unter Reaktionsbedingungen aus NiO2 besteht. „Dieser Unterschied ist chemisch signifikant, da NiOOH Wasserstoffatome enthält, NiO2 jedoch nicht. Daraus ergeben sich neue Perspektiven für die Bewertung von Adsorptionsstellen und Reaktionsmechanismen“, erklärt Prof. Timo Jacob.
Neubewertung von Raman-Spektren: Obertöne statt Reaktionsintermediate
Die Studie liefert zudem wichtige Erkenntnisse zur Interpretation von Raman-Spektren katalytischer Materialien. Bisher wurden bestimmte Banden häufig als Reaktionsintermediate gedeutet. Das Ulmer Team konnte jedoch experimentell nachweisen, dass es sich dabei um Obertöne handelt – ein physikalisches Phänomen, das bei zweidimensionalen Materialstrukturen auftritt und in vereinfachten Modellen nicht berücksichtigt wird. Diese Erkenntnisse basieren auch auf Messungen an Cobalt- und Manganoxiden.
Projektkontext und Ausblick
Das Forschungsprojekt wurde im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1316 „Transiente Atmosphärendruckplasmen – vom Plasma zu Flüssigkeiten zu Festkörpern“ durchgeführt, geleitet von der Ruhr-Universität Bochum. Die Ulmer Wissenschaftler konzentrieren sich in ihrem Teilprojekt auf die Plasma-Elektrokatalyse, bei der höhere Stromdichten und Spannungen als in der klassischen Elektrokatalyse verwendet werden können. Dies eröffnet neue Möglichkeiten zur Herstellung und Charakterisierung katalytischer Materialien.
Kontaktinformationen
- PD Dr. Albert Engstfeld, Institut für Elektrochemie, Universität Ulm
E-Mail: albert.engstfeld@uni-ulm.de - Prof. Dr. Timo Jacob, Leiter des Instituts für Elektrochemie, Universität Ulm
E-Mail: timo.jacob@uni-ulm.de
Originalpublikation
Leist, J., Neufischer, A., Jacob, T. et al. Consequences of overtones in Raman spectra for assigning nickel anode surface structures as NiO2 during alkaline electrolysis. Nature Catalysis (2026), 11. September 2026, https://doi.org/10.1038/s41929-026-01613-9
