Material auf Nickelbasis Neue Nanostruktur glänzt als Katalysator für grünen Wasserstoff

Mit Elektrolyse könnte Wasserstoff CO₂-neutral hergestellt werden – vorausgesetzt, der benötigte Strom wird durch Sonne oder Wind erzeugt. Allerdings sind diese Reaktionen wenig effizient und extrem langsam. Um sie zu beschleunigen, werden katalytisch aktive Materialien aus teuren Edelmetallen wie Platin, Ruthenium oder Iridium eingesetzt. Für einen großtechnischen Einsatz müssen solche Katalysatoren jedoch aus weithin verfügbaren und sehr billigen Elementen bestehen.

Nickel als mögliche Lösung?

Um die Sauerstoffentwicklungsreaktion an der Anode zu beschleunigen, gelten Materialien auf Nickelbasis als gute Kandidaten. Nickel ist korrosionsbeständig, kaum toxisch und zudem preiswert. Um Katalysatormaterialien auf Nickelbasis herzustellen, setzte man bislang meist auf energieintensive Hochtemperaturverfahren.

Ein Team um Dr. Prashanth Menezes (HZB/TU Berlin) hat nun einen „sanften“ chemischen Weg gefunden, um einen effizienten Katalysator auf Basis von intermetallischen Nickel-Silizium-Nanokristallen herzustellen: „Wir haben das Element Nickel mit Silizium, dem zweithäufigsten Element in der Erdkruste, kombiniert und über eine chemische Reaktion eine Nanostrukturierung erreicht. Das daraus resultierende Material hat hervorragende katalytische Eigenschaften", sagt Menezes.

Das kristalline Ni2Si diente als Präkatalysator für die alkalische Sauerstoffentwicklungsreaktion an der Anode: Unter Betriebsbedingungen bildete sich an der Oberfläche Nickel(oxy)hydroxid als aktiver Katalysator. Bemerkenswert ist auch, dass die Wasserelektrolyse mit einer organischen Oxidationsreaktion gekoppelt ist, bei der durch Elektrosynthese industriell wertvolle Nitrilverbindungen entstehen. Solche elektrosynthetischen Methoden können die Wasserstofferzeugung an der Kathode steigern und gleichzeitig den Zugang zu wertvollen Industrieprodukten an der Anode ermöglichen.

Bessere Aktivität und Stabilität

Im Vergleich zu modernen Katalysatoren auf Nickel-, Kobalt-, Eisen-, Ruthenium- und Iridiumbasis ist das nanoporöse Ni₂Si wesentlich aktiver und bleibt unter industriellen Bedingungen über längere Zeit stabil. Um das Verhalten von Ni2Si genauer zu verstehen, kombinierte das Team verschiedene Messmethoden, darunter Elementaranalysen, Elektronenmikroskopie und moderne spektroskopische Messungen bei BESSY II.

„In Zukunft könnten sogar industrielle alkalische Wasserelektrolyseure mit einer Beschichtung aus diesem nanoporösen Nickelsilizd ausgestattet werden“, sagt Menezes.