Forscher unter der Leitung von Ryuhei Nakamura am RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) in Japan haben ihre umweltfreundliche und nachhaltige Methode zur Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser verbessert. Dazu haben sie einen maßgeschneiderten Katalysator für die chemische Reaktion verwendet.
Verbesserte Stabilität und verlängerte Lebensdauer
Die in Nature Catalysis veröffentlichte Studie beweist, dass sie die 3D-Struktur des Katalysators erfolgreich manipuliert haben. Das Ergebnis: Eine deutlich verbesserte Stabilität und eine um fast 4.000 Prozent verlängerte Lebensdauer des Katalysators. Die Ergebnisse haben das Potenzial, eine dauerhafte und nachhaltige wasserstoffbasierte Energiewirtschaft zu erreichen.
Die Wasserelektrolyse mit Protonenaustauschmembranen ist ein umweltfreundliches elektrochemisches Verfahren zur Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. Der auf diese Weise erzeugte Wasserstoff kann gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt verwendet werden. In Verbindung mit einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEM) kann der gespeicherte Wasserstoff beispielsweise zum Betrieb eines Elektroautos verwendet werden.
Die PEM-Elektrolyse hat jedoch noch Einschränkungen, die eine breite industrielle Nutzung, zum Beispiel in Kraftwerken, verhindern. Insbesondere laufen die notwendigen chemischen Reaktionen in einer stark sauren Umgebung ab, und die besten Katalysatoren für diese Reaktionen sind extrem seltene Erdmetalle, wie zum Beispiel Iridium.
Langlebigeren Katalysator mit Erdmetallen
Ryuhei Nakamura erklärt: „Um die PEM-Elektrolyse in den Terawatt-Maßstab zu bringen, bräuchte man Iridium im Wert von 40 Jahren, was sicherlich nicht praktikabel und in hohem Maße unhaltbar ist.“ Vor fast zwei Jahren entwickelten Nakamura und sein Team ein bahnbrechendes Verfahren, das die Elektrolyse von saurem Wasser ohne den Einsatz von Seltenerdmetallen ermöglichte.
Indem sie Mangan in ein Kobaltoxidgitter einfügten, schufen sie ein Verfahren, das nur auf gewöhnliche und nachhaltige Erdmetalle angewiesen ist. Trotz des Erfolgs war der Prozess noch nicht so stabil, wie er in einem PEM-Elektrolyseur sein muss. Jetzt haben sie auf ihrer früheren Entdeckung aufgebaut und einen langlebigeren Katalysator mit Erdmetallen entwickelt.
Der neue Katalysator ist eine Form von Manganoxid (MnO2). Die wichtigste Erkenntnis war, dass die Reaktionsstabilität um mehr als das 40-fache erhöht werden konnte, indem die Gitterstruktur des Katalysators verändert wurde. Der Sauerstoff in der 3D-Gitterstruktur von Manganoxid kommt in zwei Konfigurationen vor: planar und pyramidal.
Die planare Version geht stärkere Bindungen mit Mangan ein, und die Forscher entdeckten, dass die Erhöhung des Anteils an planarem Sauerstoff im Gitter die katalytische Stabilität deutlich verbessert. Die Forscher testeten vier verschiedene Manganoxide, die sich im Prozentsatz des planaren Sauerstoffs unterschieden.
Ladung 100-mal höher als in früheren Studien
Bei Verwendung der Version mit dem höchsten erreichbaren Prozentsatz (94 Prozent) konnte die kritische Sauerstoffentwicklungsreaktion in Säure einen Monat lang bei 1000 mA/cm2 aufrechterhalten werden. Die Gesamtmenge der übertragenen Ladung war in diesem Fall 100-mal höher als in früheren Studien beobachtet.
Bei Tests in einem PEM-Elektrolyseur konnte die Wasserelektrolyse bei 200 mA/cm2 etwa 6 Wochen lang aufrechterhalten werden. Die Gesamtmenge des in diesem Zeitraum elektrolysierten Wassers und damit die Menge des erzeugten Wasserstoffs war zehnmal höher als die Menge, die in der Vergangenheit mit anderen Katalysatoren ohne Seltene Metalle erreicht wurde.
„Überraschenderweise ging die verbesserte Stabilität nicht auf Kosten der Aktivität, was normalerweise der Fall ist. Ein PEM-Wasserelektrolyseur, der mit einem erdreichhaltigen Katalysator bei einer Rate von 200 mA/cm2 Wasserstoff erzeugt, ist sehr effizient“, so der Co-Erstautor Shuang Kong.
Zukunft in der industriellen Anwendung
Es bleibt noch einiges zu tun. Industrielle Anwendungen erfordern in der Regel eine stabile Stromdichte von 1000 mA/cm2, die mehrere Jahre und nicht nur einen Monat lang anhält. Dennoch glauben die Forscher, dass konkrete, reale Anwendungen möglich sein werden und zur Kohlenstoffneutralität beitragen werden.
„Wir werden die Katalysatorstruktur weiter verändern, um sowohl die Stromdichte als auch die Lebensdauer des Katalysators zu erhöhen“, sagt Nakamura. „Langfristig sollten unsere Bemühungen dazu beitragen, das ultimative Ziel für alle Beteiligten zu erreichen - die PEM-Wasserelektrolyse ohne den Einsatz von Iridium durchzuführen.“
In der Zwischenzeit hoffen die Forscher, dass ihre Ergebnisse das öffentliche Interesse an einer nachhaltigen Wasserstoffproduktion als realistische Lösung zur Verlangsamung des durch fossile Brennstoffe verursachten Klimawandels wecken werden.
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