Die Entwicklung von Elektrolyseuren zur klimaneutralen Wasserstoffproduktion erfordert ein detailliertes Verständnis der Vorgänge an den Oberflächen der eingesetzten Metallelektroden. Forschende der Theorieabteilung am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft zeigen nun, dass ein quantenmechanischer Effekt – ein Überschwappen der Metallelektronen in die wässrige Elektrolytumgebung – die Energiespeicherkapazität von Elektroden um mehr als das Zehnfache steigern kann.
Herausforderung: Elektrodenkapazität korrekt simulieren
Die elektrochemische Erzeugung von Wasserstoff oder synthetischen Kraftstoffen gilt als wesentlicher Bestandteil der zukünftigen nachhaltigen Energiespeicherung. Allerdings stoßen derzeit eingesetzte Elektrodenmaterialien in Elektrolyseuren an Effizienz- und Beständigkeitsgrenzen. Die Entwicklung geeigneter, langlebigerer Materialien ist daher ein zentraler Forschungsfokus. Moderne Computersimulationen könnten diese Materialsuche beschleunigen – sofern sie die realen physikalischen Prozesse verlässlich abbilden.
Ein bislang ungelöstes Problem lag jedoch in der deutlichen Abweichung zwischen experimentellen Messwerten und den Resultaten atomar-aufgelöster Simulationen: Die berechnete Kapazität selbst einer Einkristalloberfläche von Platin fiel wiederholt um den Faktor zehn zu gering aus.
Quantenmechanik als Schlüssel zur Erklärung
Die Forschenden am Fritz-Haber-Institut konnten diese Diskrepanz auf die bisherige Vernachlässigung quantenmechanischer Effekte zurückführen. Durch die Integration quantenmechanischer Berechnungen in die Simulationen zeigte sich ein bislang unbeachteter Effekt: Elektronen an der Metalloberfläche dringen partiell in die ersten Wasserlagen der umgebenden Elektrolytschicht ein. Aufgrund dieser Ausdehnung ist laut Forschenden die Kapazität deutlich erhöht.
Diese Erkenntnisse eröffnen Möglichkeiten für die Simulation und Entwicklung von Elektrodenmaterialien. Künftig könnten Verfahren des maschinellen Lernens darauf trainiert werden, diesen sogenannten Elektronenüberschwap („electron spillover“) an aufwändigen quantenmechanischen Daten effektiv in die effizienteren klassischen Simulationen einfließen zu lassen.
