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Unordnung im Kohlenstoff könnte Edelmetalle bei Wasserstoffproduktion ersetzen
Für die elektrochemische Erzeugung von Wasserstoff werden häufig teure Edelmetall-Katalysatoren benötigt. Computersimulationen deuten nun darauf hin, dass einschichtiger amorpher Kohlenstoff eine metallfreie Alternative werden könnte. Entscheidend sind offenbar gerade seine strukturellen Unregelmäßigkeiten, die lokal günstige Bedingungen für die Bindung von Wasserstoff schaffen.
Gandhinagar (Indien). Bei der Wasserstoffentwicklung muss ein Katalysator Wasserstoffatome ausreichend fest binden, darf sie aber auch nicht dauerhaft festhalten. Als Maß dafür dient die freie Adsorptionsenergie ΔG_H, wobei Werte nahe null als besonders günstig gelten.
Kristallines Graphen bietet auf seiner regelmäßig aufgebauten Oberfläche nur wenige geeignete Stellen. Amorpher Kohlenstoff besitzt dagegen keine langreichweitige Ordnung und enthält unterschiedlich große Kohlenstoffringe, verzerrte Bindungen und lokale Wölbungen. Dadurch entstehen viele voneinander verschiedene atomare Umgebungen.
Forscher des Indian Institute of Technology Gandhinagar (IITGN) um Prof. Raghavan Ranganathan haben nun rechnerisch untersucht, wie sich diese Unordnung auf die Wasserstoffentwicklung auswirkt. Dafür erzeugten sie ein Modell von einschichtigem amorphem Kohlenstoff, kurz MAC, mit einem simulierten Schmelz-Abschreck-Verfahren. Die Struktur bestand vor allem aus fünf-, sechs- und siebengliedrigen Kohlenstoffringen.
Zunächst berechnete das Team mit der Dichtefunktionaltheorie, kurz DFT, die Wasserstoffadsorption an 30 unterschiedlichen lokalen Umgebungen. Die dabei bestimmten ΔG_H-Werte reichten von −0,02 bis +1,35 Elektronenvolt. Zum Vergleich erreichte β-Graphin unter den untersuchten kristallinen Kohlenstoffmaterialien mit +0,34 Elektronenvolt den günstigsten Wert.
Erstautor Sreehari MS vom IITGN beschreibt, warum ein Wert nahe null wichtig ist.
„Entscheidend ist, das richtige Gleichgewicht zu finden. Wenn der Wasserstoff aus dem Ausgangsmaterial zu stark an der Oberfläche des Katalysators haftet, wird es schwierig, Wasserstoffmoleküle freizusetzen. Haftet er dagegen kaum, kann die Reaktion nicht effizient ablaufen“, erklärt Sreehari MS.
DFT-Berechnungen für jede mögliche Bindestelle wären sehr rechenaufwendig. Deshalb trainierten die Forscher ein maschinell gelerntes interatomares Potential des Typs MACE auf den genaueren Rechnungen und prüften es anschließend an unabhängigen DFT-Daten. Das Modell erreichte für ΔG_H einen mittleren absoluten Fehler von 0,161 Elektronenvolt und unterschied aktive von inaktiven Stellen mit 95 Prozent Genauigkeit.
Damit ließ das Team eine deutlich größere MAC-Oberfläche untersuchen. Das Modell erfasste etwa 1.183 mögliche Adsorptionsstellen und sagte ΔG_H-Werte von −0,91 bis +1,70 Elektronenvolt voraus. Rund 15 Prozent der Stellen lagen laut Studie unter +0,25 Elektronenvolt, wobei für eine optimale Wasserstoffbindung Werte möglichst nahe null entscheidend bleiben.
Mitautor Ashutosh Krishna Amaram vom IITGN fasst die großflächige Auswertung zusammen.