Struktur-adaptive Nickeleinzelatom-Katalysatoren für die elektrochemische Synthese von reinem Wasserstoffperoxid bei industrieller Stromdichte

Saubereres Bleich- und Desinfektionsmittel für den Alltag

Wasserstoffperoxid unterstützt still und zuverlässig moderne Alltagsprozesse, von der Papierbleiche und der Abwasserreinigung bis zur Desinfektion medizinischer Instrumente. Heute wird es überwiegend in großen Chemieanlagen hergestellt und dann weltweit transportiert, was Energie kostet und Sicherheits- sowie Umweltprobleme mit sich bringt. Diese Studie untersucht einen neuen Weg, Wasserstoffperoxid direkt aus Luft und Wasser in einem kompakten Gerät herzustellen, mithilfe eines intelligenten nickelbasierten Materials, das seine Struktur während des Betriebs anpassen kann.

Warum wir einen neuen Herstellungsweg brauchen

Der heutige industrielle Weg zur Produktion von Wasserstoffperoxid beruht auf einem älteren Verfahren mit erdölbasierten Flüssigkeiten, verbraucht viel Energie und erfordert beim Lagern und Transportieren sorgfältiges Vorgehen. Im Gegensatz dazu nutzt die elektrochemische Produktion Strom, um Sauerstoff aus der Luft mit Wasser zu kombinieren und so Wasserstoffperoxid auf Abruf zu erzeugen. Wird diese Technik mit erneuerbarer Energie betrieben, könnten solche Systeme saubere, lokale Vorräte für Fabriken, Krankenhäuser und Kläranlagen liefern. Das Hauptproblem bestand bislang darin, einen Katalysator zu finden, der bei den hohen Stromdichten, die in realen Industrieanwendungen nötig sind, sowohl effizient als auch langlebig ist.

Ein Einzelatom-Nickelskelett, das sich selbst umformt

Die Forschenden entwickelten einen Katalysator, in dem einzelne Nickelatome an eine poröse Kohlenstoffoberfläche gebunden und von Stickstoff- und Boratomen umgeben sind. Diese sorgfältig angeordneten Umgebungen steuern, wie jedes Nickelatom während der Reaktion mit Sauerstoff wechselwirkt. Im Ruhezustand liegt das Nickel in einer Konfiguration vor, die das Team NiB2N2 nennt und zwei benachbarte Bor- sowie zwei Stickstoffnachbarn widerspiegelt. Unter Betriebsstromspannung bricht eine Nickel–Bor-Bindung leicht auf und die Struktur wandelt sich in ein neues Muster, NiB1N2, das Reaktionszwischenstufen stärker bindet. Dieser Umbau geschieht, ohne dass die Nickelatome zusammenklumpen — ein häufiges Versagensbild vieler Einzelatommaterialien.

Wie der Katalysator Sauerstoff in Richtung Wasserstoffperoxid lenkt

In elektrochemischen Zellen kann Sauerstoff mehreren Reaktionswegen folgen, darunter ein Weg, der ihn vollständig zu Wasser reduziert, und ein anderer, der bei Wasserstoffperoxid stehen bleibt. Die neuen Nickelstellen sind so eingestellt, dass sie den Zwei-Elektronen-Weg begünstigen, der bei Wasserstoffperoxid endet, und ein wichtiges Zwischenprodukt gerade so stark binden, dass die Reaktion effizient ablaufen kann. Fortgeschrittene Röntgen- und Raman-Messungen, die während des Betriebs aufgenommen wurden, zeigen, dass die Nickelatome nahezu denselben Ladungszustand behalten, obwohl sich die Längen ihrer Bindungen zu Bor und Stickstoff subtil dehnen oder zusammenziehen. Computersimulationen zeigen, dass dieses Bindungsflexen Elektronen um das Nickelzentrum umverteilt und wie ein eingebauter Puffer wirkt, der den gewünschten Reaktionsweg stabilisiert.

Luft und Wasser in konzentriertes Peroxid verwandeln

Um die Leistung in der Praxis zu testen, bauten die Forschenden eine Festelektrolyt-Zelle, in der auf einer Seite Sauerstoff am Nickel-Katalysator vorbeiströmt, während Wasser und Ionen durch spezielle Membranen in der Mitte geleitet werden. Dieses Layout erlaubt es, dass sich Wasserstoffperoxid als nahezu reine Flüssigkeit bildet und gesammelt wird, statt in einem großen Volumen einer unterstützenden Salzlösung verteilt zu sein. Mit ihrem struktur-adaptiven Nickelmaterial erreichten die Forschenden Produktionsraten, die deutlich über denen vergleichbarer Katalysatoren liegen, und hielten dabei eine hohe Effizienz über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen aufrecht. Bei Stromstärken, die denen in der Industrie ähneln, erzeugte das Gerät kontinuierlich etwa 5 Prozentige Wasserstoffperoxidlösung für mehr als 300 Stunden mit nur geringem Leistungsverlust.

Was das für die Zukunft der grünen Chemie bedeutet

Vereinfacht gesagt zeigt diese Arbeit, dass es möglich ist, einen Katalysator zu bauen, der seine atomare Anordnung unter Betriebsbedingungen „selbstjustiert“ und seine Leistung stabil hält, statt langsam zu degradieren. In Kombination mit einem sorgfältig konstruierten Zellendesign demonstrieren die Forschenden einen Weg zu kompakten Einheiten, die sauberes Wasserstoffperoxid direkt dort erzeugen können, wo es gebraucht wird. Bei Skalierung könnten solche Systeme die Abhängigkeit von großen zentralen Anlagen verringern und den ökologischen Fußabdruck eines Chemikals reduzieren, das vielen Alltagsprodukten und Wasseraufbereitungstechnologien zugrunde liegt.

Zitation: Wang, Z., Jia, H., Xie, A. et al. Structure-adaptive single-atom nickel catalysts for pure hydrogen peroxide electrosynthesis at industrial current density. Nat Commun 17, 4431 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71120-9

Schlüsselwörter: Wasserstoffperoxid, Elektrokatalyse, Nickelkatalysator, Einzelatomkatalysator, grüne Chemie