„Da die teuren Edelmetalle in Elektrolysezellen noch nicht vollständig durch andere ähnlich effiziente Materialien ersetzt werden können, besteht die Herausforderung, sie verlustfrei zurückzugewinnen. Und dies idealerweise mit umweltschonender Aufbereitung“, erklärt Projektleiter Prof. Alexandros Charitos.
Umweltschonendere Aufbereitung der verwendeten Katalysator-Materialien
Der Fokus des Teams lag auf sogenannten hydrometallurgischen Recycling-Methoden. Dabei wird das Katalysator-Material in eine wässrige Lösung überführt und im Anschluss als Salz oder Metall in fester und möglichst reiner Form zurückgewonnen. „Die Rückgewinnung der verschiedenen Katalysatorschichten aus Edelmetallen, das Herzstück des Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs (PEM-Elektrolyseur), benötigt bislang einen energieaufwändigen und potenziell umweltschädlichen Verfahrensschritt. Im Projekt ,Recycalyse‘ verfolgen wir einen Recyclingprozess, bei dem die Katalysatorschichten von der Fluor-haltigen Membran getrennt werden“, erklärt Dr. Lesia Sandig-Predzymirska.
Die Edelmetalle der vorkonzentrierten Katalysatorschichten können dann mit milderen und umweltschonenderen Laugungsmitteln recycelt werden. „So werden Ausgangsstoffe hergestellt, die direkt für die Produktion neuer Elektrokatalysatoren verwendet werden können, um den Materialkreislauf zu schließen“, sagt die wissenschaftliche Mitarbeiterin im Forschungsprojekt.
Neue Recyclingmethode für Edelmetall Ruthenium patentiert
Ein neu entwickelter Katalysator aus Iridium und Ruthenium erwies sich als der effizienteste für die Sauerstoffentwicklungsreaktion auf der Anodenseite der Zelle. Als Trägermaterial für die Edelmetalle fungierte ein Antimon-dotiertes Zinnoxid statt Kohlenstoff. „Wir haben ein hydrometallurgisches Verfahren zur Rückgewinnung von Ruthenium entwickelt und patentiert, bei dem kostengünstige Chemikalien eingesetzt werden, um die für die Industrie wertvollen Rutheniumkomplexe effizient zu gewinnen“, sagt Sandig- Predzymirska.
Rutheniumkomplexe werden nicht nur in der chemischen Industrie für die Herstellung von Katalysatoren verwendet, sondern auch in vielen anderen Bereichen wie der Elektronikindustrie, der Medizin, der Biologie, den Nanowissenschaften und der Solarzellenherstellung eingesetzt. Zusammen mit einem neu entwickelten Trennverfahren der einzelnen Metallionen erreichte das Team eine Metall-Rückgewinnung von über 90 Prozent der enthaltenen Edelmetalle.
Elektrolyse im Fokus der Forschung
Da Speicherung von Wasserstoff aus der Wasser-Elektrolyse ein wichtiger Baustein für die Energiewende ist, stehen die Elektroden-Materialien aktuell im Fokus der Forschung. Neben der Effizienz und Verfügbarkeit der Materialien konzentriert sich das Projekt „Recycalyse“ besonders auf deren Recyclingfähigkeit im Sinne der Kreislaufwirtschaft.
Es wird vom Dänischen Technologischen Institut geleitet und von neun weiteren Partnern (TU Bergakademie Freiberg, Fraunhofer ICT, Sustainable Innovations, TWI, Blue World Technologies, Universität Bern, Prüfrex, HyCentA Research und Accurec) getragen. Noch bis Ende September 2023 wird „Recycalyse“ mit insgesamt 5,5 Millionen Euro aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union im Rahmen der Zuschussvereinbarung Nummer 861960 unterstützt.
