Als Schlüsseltechnologie für die nachhaltige Herstellung von Wasserstoff gilt aktuell die Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse (PEM-WE). Beide Elektroden sind dabei mit jeweils speziellen Elektrokatalysatoren beschichtet, um die gewünschte Reaktion zu beschleunigen.
Iridium-basierte Katalysatoren eignen sich am besten für die Anode – allerdings zählt Iridium zu den seltensten Elementen auf der Erde. Eine der größten Herausforderungen besteht daher darin, den Bedarf an diesem Edelmetall deutlich zu senken. Eine Analyse zeigt, dass Anodenmaterialien auf Iridium-Basis nicht mehr als 0,05 mgIr/cm2 enthalten sollten, um den weltweiten Wasserstoffbedarf für den Transport mit PEM-WE-Technologie zu decken. Der derzeit beste kommerziell erhältliche Katalysator aus Iridiumoxid enthält jedoch etwa 40-mal so viel wie dieser Zielwert.
Langzeitstabiler P2X-Katalysator
Aktuell gibt es jedoch bereits neue Optionen. Im Rahmen des Kopernikus-P2X-Projekts wurde von der Heraeus-Gruppe ein neuer Nanokatalysator auf Iridium-Basis entwickelt, der aus einer dünnen Schicht Iridiumoxid auf einem nanostrukturierten Titandioxidträger besteht. Dieser sogenannte P2X-Katalysator benötigt nur eine äußerst geringe Menge an Iridium (viermal niedriger als beim derzeit besten kommerziellen Material).
Ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) unter der Leitung von Dr. Raul Garcia-Diez und Prof. Marcus Bär hat zusammen mit einer Gruppe vom ALBA-Synchrotron in Barcelona den P2X-Katalysator untersucht und seine katalytische und spektroskopische Signatur mit dem kommerziellen kristallinen Referenzkatalysator verglichen. Dabei wies der P2X-Katalysator selbst im Langzeitbetrieb eine bemerkenswerte Stabilität auf.
Unterschiedliche Sauerstoffentwicklung
Das HZB-Team hat dafür beide Katalysatortypen an BESSY II während der Wasserelektrolyse (Operando-Messungen) untersucht. „Wir wollten beobachten, wie sich die beiden unterschiedlichen Katalysatormaterialien während der elektrochemischen Sauerstoffentwicklungsreaktion strukturell und elektronisch verändern, und zwar mithilfe der Operando-Ir-L3-Kanten-Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS)“, sagt Erstautorin der Studie Marianne van der Merwe aus Bärs Team. Sie entwickelten dafür ein neues experimentelles Protokoll, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse in beiden Proben unter genau der gleichen Sauerstoffproduktionsrate gemessen werden. Dadurch war es möglich, die beiden Katalysatoren unter genau denselben Bedingungen zu vergleichen.
„Aus den Messdaten konnten wir schließen, dass die Mechanismen für die Sauerstoffentwicklungsreaktion in beiden Klassen von Iridiumoxid-Katalysatoren unterschiedlich sind, und dies wird durch die unterschiedlichen chemischen Umgebungen der beiden Materialien verursacht“, erklärt van der Merwe. Die Messdaten zeigen auch, warum der P2X-Katalysator im Vergleich zum Referenzkatalysator sogar besser abschneidet: In der P2X-Probe nehmen die Bindungslängen zwischen Iridium und Sauerstoff bei OER-relevanten Potenzialen deutlich stärker ab als beim Referenzkatalysator. Diese Verringerung der Ir-O-Bindungslängen kann mit der Beteiligung defekter Umgebungen zusammenhängen, die vermutlich eine Schlüsselrolle bei der Sauerstoffentwicklungsreaktion spielen.
Darüber hinaus korrelieren die Beobachtungen der elektronischen Zustände auch mit lokalen geometrischen Informationen, wie van der Merwe berichtet. Die Arbeit liefert damit Informationen über die verschiedenen Mechanismen von Iridiumoxid-basierten Elektrokatalysatoren während der Sauerstoffentwicklungsreaktion. Das vertieft das Verständnis von Katalysatorleistung und -stabilität.
