Beide Teilreaktionen der Wasserelektrolyse – Wasserstoff- und Sauerstoffbildung – laufen nur langsam ab und benötigen viel Strom. Katalytisch wirksame Elektroden, vor allem auf Basis von Edelmetallen, können die elektrochemischen Prozesse beschleunigen und ihre Energieeffizienz verbessern. Einer Anwendung im großen Maßstab stehen jedoch erhebliche Kosten, begrenzte Ressourcen und mangelnde Stabilität im Weg. Alternativen auf Basis häufig vorkommender, kostengünstiger Metalle funktionieren dagegen meist nicht zufriedenstellend für beide Teilreaktionen.
Einem Team um Shuyan Gao von der Henan Normal University in China und Xiong Wen Lou von der Nanyang Technological University in Singapur ist nun die Entwicklung eines neuartigen, kostengünstigen und multifunktionalen Elektrodenmaterials gelungen. Es handelt sich um CoNi2S4-Dotter/Schale-Nanokugeln, die auf Kobalt (Co) und Nickel (Ni) basieren.
Nanopartikel für schnelleren Ladungstransfer
Das neue Material könnte für eine effizientere elektrokatalytische Wasserstoffproduktion sorgen, indem es die elektrokatalytischen Reaktionen beschleunigt. Seine Phosphor-Dotierung erhöht den Anteil an Ni3+ gegenüber Ni2+ in den hohlen Partikeln und sorgt für einen schnelleren Ladungstransfer. Dabei kann das Material sowohl als Anode als auch als Kathode eingesetzt werden und zeigt eine hohe Aktivität und Beständigkeit bei der Wasserstoff- und Sauerstofferzeugung der Wasserelektrolyse.
Zur Herstellung unterziehen die Forscher Nanokügelchen aus Kobalt-Nickel-Glycerat einer kombinierten hydrothermischen Sulfidierung und Gasphasen-Phosphorisierung. Dabei entstehen sogenannte Dotter/Schale-Nanopartikel aus Phosphor-dotiertem Kobalt-Nickel-Sulfid (P-CoNi2S4). Das sind winzige Kügelchen mit einem kompakten Kern und einer porösen Hülle, zwischen denen sich ein Leerraum befindet – ähnlich einem Ei, dessen Dotter von Eiweiß umhüllt ist und daher die Schale nicht berührt.
Einsatz in der Abwasserbehandlung möglich
Um die Gesamtspannung der Elektrolysezelle zu senken, suchen die Wissenschaftler außerdem nach hybriden Elektrolysekonzepten. Auf diese Weise ließe sich die wasserstofferzeugende Reaktion statt an die Sauerstofferzeugung an die Oxidation von Harnstoff koppeln, welche deutlich weniger Energie benötigt. Als Harnstoffquelle kämen Abwässer industrieller Synthesen sowie Sanitärabwässer infrage.
Auch für diese Teilreaktion eignen sich die neuen Nanopartikel. Sie benötigen sowohl für die Elektrolyse von Wasser als auch von Harnstoff nur eine vergleichsweise geringe Zellspannung (1,544 V beziehungsweise 1,402 V bei 10 mA cm–2 über 100 Stunden) und sind damit laut den Forschern den meisten bekannten Nickel-Sulfid- und sogar Edelmetall-basierten Elektrokatalysatoren überlegen. Das macht sie neben der elektrochemischen Wasserstoffherstellung ebenfalls für die Behandlung harnstoffhaltiger Abwässer interessant.
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