27. April 2026
Elektrochemische Reaktionen sind entscheidend für die Wasserstoffherstellung. Kationen wie Natriumionen können die Reaktionen entweder beschleunigen oder bremsen. Forschende des Forschungszentrums Jülich und der Universität Leiden liefern dafür nun eine verblüffend einfache Erklärung.
Prozesse wie die Produktion von grünem Wasserstoff oder die Umwandlung von CO2 sind von zentraler Bedeutung für zukünftige Energietechnologien. Die Reaktionen finden typischerweise in einem flüssigen Elektrolyten statt – einer Flüssigkeit, die bewegliche geladene Teilchen enthält und den elektrischen Stromfluss ermöglicht.
Diese geladenen Teilchen, Kationen, sind nicht direkt an der chemischen Reaktion beteiligt. Sie werden daher auch als „spectator species“, sinngemäß „Zuschauerteilchen“, bezeichnet. Dennoch haben sie einen starken Einfluss darauf, wie schnell die Reaktion abläuft. Sie können die Reaktionen entweder beschleunigen oder bremsen. Doch wie genau die schon in den 1930er Jahren beobachtete, gegenläufige Wirkung zustande kommt, blieb lange ungeklärt.
In ihrer Studie stellen die Forschenden nun erstmals ein einheitliches physikalisches Bild vor, das diesen Effekt verständlich erklärt. Die Ergebnisse wurden im renommierten Fachmagazin Nature Communications veröffentlicht.
Die zentrale Erkenntnis: Kationen in der Nähe einer Elektrode verhalten sich nicht eindeutig „gut“ oder „schlecht“. Dadurch, dass sie in zwei Zuständen vorliegen können, sind beide Verhalten möglich.
Einige Kationen bleiben in der Flüssigkeit gelöst und sammeln sich nahe der Elektrodenoberfläche an. In diesem Zustand verstärken sie das lokale elektrische Feld und beschleunigen wichtige Reaktionsschritte – zum Beispiel die Spaltung von Wasser bei der Wasserstofferzeugung.
Andere Kationen hingegen verlieren einen Teil ihrer flüssigen Hülle im Elektrolyten und lagern sich direkt an der Katalysatoroberfläche an. Das hat den gegenteiligen Effekt: Das elektrische Feld wird geschwächt, die Reaktion verlangsamt sich. Welcher Effekt dominiert, hängt vom Verhältnis der beiden Zustände ab.
Die Studie hebt darüber hinaus ein allgemeineres Prinzip hervor: die Bedeutung der lokalen elektrischen Umgebung an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt.
Die Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten, elektrochemische Prozesse gezielt zu verbessern – etwa die Wasserelektrolyse zur Herstellung von grünem Wasserstoff.
So sollte es möglich werden, die Zusammensetzung und Eigenschaften von Elektrolyten gezielt zu modifizieren, um die Kinetik elektrochemischer Prozesse zu steuern. Ein möglicher Ansatz könnte es sein, verschiedene Kationentypen zu kombinieren, um die positiven und negativen Effekte gezielt auszubalancieren.
Zhu, X., Binninger, T., Koper, M. T. M. & Eikerling, M.
Disentangling the Janus-faced effects of cations in electrocatalysis
Nat Commun (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-71126-3
