Innerhalb des Spektrums sauberer Energiequellen sticht Wasserstoff hervor, da er Energie speichern und bereitstellen kann, ohne Kohlenstoffemissionen zu erzeugen, da bei der Verbrennung von Wasserstoff nur Wasser freigesetzt wird. Wasserstoff ist daher einer der saubersten Brennstoffe, die es gibt.
Eine Möglichkeit, Wasserstoff zu erzeugen, ist die "Wasserspaltung". Dabei handelt es sich um einen Prozess, bei dem Wasser mithilfe von Sonnenlicht in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Die Wasserspaltung würde Wasserstoff weitgehend reichlich verfügbar machen, doch trotz jahrzehntelanger Forschung ist sie noch zu ineffizient
Ein Hindernis bei der Herstellung von Wasserstoff
Der Hauptschuldige ist die Sauerstofffreisetzungsreaktion (OER), der Schritt der Wasserspaltung, bei dem gasförmiger Sauerstoff entsteht, indem Elektronen und Protonen aus den Wassermolekülen entfernt werden. Die OER begrenzt die Geschwindigkeit der Wasserspaltung, und an dieser Stelle versuchen Wissenschaftler, die Effizienz des Prozesses zu verbessern.Die OER findet an der Grenzfläche zwischen einem lichtabsorbierenden Material wie Bismuthvanadat (BiVO4) und Wasser statt und ist notorisch langsam. Während der Reaktion hilft BiVO4 dabei, Elektronen und Protonen aus Wassermolekülen herauszulösen, wodurch Sauerstoffgas entsteht. Mit anderen Worten: BiVO4 ist die "wesentliche" Oberfläche, an der dieser entscheidende und langsame Schritt stattfindet
Der Schlüsselschritt: der gekoppelte Elektron-Proton-Transfer
Der erste Schritt war schon immer ein Problem: die koordinierte Bewegung eines Protons und eines Elektrons - ein Prozess, der als Elektron-Proton-Kopplungstransfer (ECPT) bezeichnet wird. Bei diesem Prozess bewegen sich ein Proton und ein Elektron gemeinsam, um die Trennung von Wassermolekülen zu unterstützen, was ihn zu einem wichtigen Schritt bei der Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff macht.Trotz der Fortschritte beim Verständnis der Thermodynamik des PCET war es bisher schwierig, den genauen Mechanismus zu bestimmen. Bisherige Studien haben oft die chaotische Bewegung der Wassermoleküle an der Oberfläche von BiVO4 vernachlässigt oder sich auf Methoden verlassen, die nicht die erforderliche Zeit oder Genauigkeit erreichten. Wie BiVO4 genau funktioniert und wie man es verbessern kann, blieb bislang unklar
Aufschlussreiche fortgeschrittene Simulationen
Zwei Forscher der EPFL, Yong-Bin Zhuang und Alfredo Pasquarello, lüften nun den Schleier. Durch die Kombination von Simulationen der Molekulardynamik auf langen Zeitskalen mit Potenzialen des maschinellen Lernens (Algorithmen, die darauf trainiert sind, Quantenberechnungen auf hohem Niveau nachzuahmen) haben die Wissenschaftler die gesamte Bewegung von Atomen und Elektronen an der BiVO4-Wasser-Grenzfläche erfasst. Indem sie sich auf den allerersten Schritt der OER, das anfängliche PCET-Ereignis, konzentrierten, stellten sie fest, dass sich das Proton zuerst bewegt, gefolgt vom Elektron, und dass diese Reihenfolge das Tempo der Reaktion bestimmt.Das Team erstellte ein detailliertes atomares Modell der BiVO4-Wasser-Grenzfläche und nutzte maschinelles Lernen, um die Kräfte zwischen den Atomen mit hoher Genauigkeit vorherzusagen. Dadurch konnten sie Simulationen viel länger als mit Standard-Quantenberechnungen durchführen - lange genug (bis zu 30 Nanosekunden), um stabile und konvergente Ergebnisse zu erhalten und Hunderttausende von Atomkonfigurationen zu beproben.
Indem sie Schlüsselvariablen wie die Position des Protons und die Lage des "Lochs" (das Fehlen eines Elektrons) aufmerksam verfolgten, konnten die Forscher den gesamten PCET-Prozess beobachten. Ausserdem verwendeten sie mehrere unabhängig voneinander trainierte Modelle des maschinellen Lernens, um die Zuverlässigkeit ihrer Ergebnisse zu gewährleisten
Was verlangsamt die Wasserstoffproduktion?
Die Simulationen zeigten ein wichtiges Element: Der langsamste und geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist die direkte Übertragung eines Protons von einem Wassermolekül, das an der Oberfläche von BiVO4 adsorbiert ist, auf ein benachbartes Sauerstoffatom auf der Oberfläche. Das Elektron (oder "Loch") springt erst dann zu seinem neuen Ort, wenn das Proton sich bewegt hat. Die Studie zeigte auch, dass dieser direkte Protonentransfer und nicht ein indirekter Weg, an dem zusätzliche Wassermoleküle beteiligt sind, den Prozess dominiert. Diese Beobachtung stimmt mit neueren Experimenten überein, die gezeigt haben, dass der Protonentransfer das Hindernis der Reaktion ist.Da die Wissenschaftler wissen, dass der Protonentransfer die Reaktion begrenzt, können sie sich nun auf die Suche nach Möglichkeiten konzentrieren, diesen speziellen Schritt zu beschleunigen, z. B. durch die Veränderung der Oberfläche von BiVO4 oder durch die Verwendung von Additiven zur Stabilisierung von Schlüsselstrukturen. Darüber hinaus setzt die Studie einen neuen Standard für die Simulation komplexer Reaktionen an Grenzflächen und zeigt, dass maschinelles Lernen die Lücke zwischen Genauigkeit und Rechenaufwand schliessen kann
