Neue Studie: Innovativer Katalysator nutzt Wasser für nachhaltige Wasserstoffproduktion ohne Iridium

BerlinWissenschaftler haben einen neuen Katalysator entwickelt, um grünen Wasserstoff herzustellen. Herkömmliche Methoden nutzen Methan, eine Art fossilen Brennstoffes, und setzen dabei viel Kohlendioxid frei, was der Umwelt schadet. Eine bessere Methode ist die Wasserelektrolyse, besonders wenn erneuerbare Energien verwendet werden. Dafür werden jedoch effektive Katalysatoren benötigt, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Normalerweise sind dafür seltene Elemente wie Platin und Iridium erforderlich.

Die Protonenaustauschmembran-Technologie (PEM) gilt als vielversprechende Methode zur Wasserelektrolyse, da sie hohe Leistungsraten und Energieeffizienz erreichen kann. Derzeit sind PEM-Systeme jedoch auf Iridium als Anodenkatalysator angewiesen. Da Iridium selten und teuer ist, wird die großflächige Produktion von grünem Wasserstoff erschwert. Kürzlich erzielte eine Gruppe von Wissenschaftlern Fortschritte, indem sie Alternativen zu Iridium fanden. Sie entwickelten einen neuen Katalysator, der die Eigenschaften des Wassers nutzt, um Stabilität und Effektivität bei der Produktion von grünem Wasserstoff zu gewährleisten. Dieser Katalysator ist nicht auf Iridium angewiesen.

Das Forschungsteam, das von Prof. F. Pelayo García de Arquer geleitet wird, besteht aus Mitgliedern des ICFO, darunter Ranit Ram, Dr. Lu Xia, Dr. Anku Guha, Dr. Viktoria Golovanova, Dr. Marinos Dimitropoulos, Aparna M. Das und Adrián Pinilla-Sánchez. Weitere Teammitglieder stammen vom Institut für Chemische Forschung von Katalonien (ICIQ), dem Katalanischen Institut für Wissenschaft und Technologie (ICN2), dem französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung (CNRS), Diamond Light Source und dem Institut für fortgeschrittene Materialien (INAM).

Nicht-Iridium-Katalysatoren haben ein großes Problem: Sie zerfallen unter sehr sauren Bedingungen. Iridiumoxide hingegen sind stabil und funktionieren gut, weshalb sie weit verbreitet sind. Es wurden Versuche unternommen, andere Materialien wie Mangan- und Kobaltoxide zu verwenden, doch diese halten normalerweise den hohen Stromstärken, die für die industrielle Nutzung erforderlich sind, nicht stand.

Die neue Methode verwendet Kobalt-Wolfram-Oxid (CoWO4 oder CWO) und beinhaltet einen Delaminierungsprozess. Während dieses Prozesses werden Wolframoxide (WO4 2-) durch Wasser (H2O) und Hydroxylgruppen (OH-) ersetzt. Diese basische Umgebung fördert die Integration von Wasser in die Katalysatorstruktur.

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Die Forscher setzten verschiedene Methoden wie Infrarot-, Raman- und Röntgenspektroskopie ein, um das neue Material während seiner Funktion zu untersuchen. Sie entdeckten, dass eingeschlossenes Wasser und Hydroxylgruppen eine entscheidende Rolle für die Aktivität und Stabilität des Materials spielten. Dr. Hind Benzidis Modellierungen zeigten, dass das eingeschlossene Wasser dazu beitrug, den Katalysator unter sauren Bedingungen stabil zu halten.

Der behandelte CoWO4-Katalysator wurde in einem PEM-Reaktor getestet. Er lieferte eine Stromdichte von 1 A/cm² und blieb über 600 Stunden hinweg auch bei hoher Stromdichte stabil.

Der neue Katalysator übertrifft deutlich die älteren Modelle ohne Iridium. Das Team vermutet, dass auch andere Materialien durch die Zugabe von Wasser und Hydroxylgruppen verbessert werden können. Aktuell untersuchen sie die Verwendung von Mangan und Nickel als Alternativen.

Das Team hat bereits ein Patent für ihren neuen Katalysator angemeldet und plant, ihn in größerem Maßstab zu produzieren. Prof. García de Arquer erwähnte, dass sie bereit sind, bei Bedarf alle Elemente zu testen. Ranit Ram fügte hinzu, dass der Fortschritt bei erneuerbaren Energien hilft, den Klimawandel zu bekämpfen. Diese neue Entwicklung bringt uns einen Schritt näher zur nachhaltigen Wasserstoffproduktion, ohne dass seltene Materialien wie Iridium erforderlich sind.