Neuer Ansatz zur Wasserelektrolyse für grünen Wasserstoff

Die jüngste Forschung zur anspruchsvollen Aufgabe, Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion zu entwickeln, hat erhebliche Fortschritte gemacht.

Professor Yong-Tae Kim vom Department of Materials Science and Engineering und dem Graduate Institute of Ferrous & Eco Materials Technology und Kyu-Su Kim, Doktorandin vom Department of Materials Science and Engineering der Pohang University of Science and Technology (POSTECH). ), arbeitete an einem Forschungsprojekt mit, das eine vielversprechende Richtung für die zukünftige Entwicklung von Katalysatoren für die Wasserelektrolyse bietet.

Ihre Studie wurde als Titelartikel in vorgestellt ACS-Katalyse.

Die Wasserelektrolyse, eine Methode zur Herstellung von Wasserstoff aus der reichlich vorhandenen Ressource Wasser, erweist sich als umweltfreundliche Technologie, die keine Kohlendioxidemissionen verursacht. Dieses Verfahren stößt jedoch auf Einschränkungen, da es auf Edelmetallkatalysatoren wie Iridium (Ir) angewiesen ist, was es wirtschaftlich undurchführbar macht. Forscher erforschen aktiv die Entwicklung von Katalysatoren in Form von Metalllegierungen, um dieser Herausforderung zu begegnen.

Im Bereich der Wasserelektrolyse-Katalyseforschung werden hauptsächlich Iridium, Ruthenium (Ru) und Osmium (Os) untersucht. Iridium weist trotz seiner hohen Stabilität eine geringe Aktivität auf und ist teuer. Im Gegensatz dazu weist Ruthenium eine lobenswerte Aktivität auf und ist im Vergleich zu Iridium eine kostengünstigere Option, obwohl ihm die gleiche Stabilität fehlt.

Osmium hingegen löst sich unter verschiedenen elektrochemischen Bedingungen leicht auf, was zur Bildung von Nanostrukturen mit einer vergrößerten elektrochemisch aktiven Oberfläche führt und dadurch die geometrische Aktivität erhöht.

Zunächst entwickelte das Forschungsteam Katalysatoren, die sowohl Iridium als auch Ruthenium verwendeten. Durch die Kombination dieser Metalle gelang es ihnen, die hervorragenden Eigenschaften jedes einzelnen zu bewahren, was zu Katalysatoren führte, die Verbesserungen sowohl in der Aktivität als auch in der Stabilität zeigten. Osmium enthaltende Katalysatoren zeigten eine hohe Aktivität aufgrund der durch Nanostrukturbildung erreichten vergrößerten elektrochemisch aktiven Oberfläche. Diese Katalysatoren behielten die vorteilhaften Eigenschaften von Iridium und Ruthenium.

Anschließend erweiterte das Team seine Experimente auf alle drei Metalle. Die Ergebnisse zeigten einen moderaten Anstieg der Aktivität, die Auflösung von Osmium wirkte sich jedoch nachteilig aus und beeinträchtigte die strukturelle Integrität von Iridium und Ruthenium erheblich. In dieser Serie wurden die Agglomeration und Korrosion von Nanostrukturen beschleunigt, was zu einer Verschlechterung der Bilanz der katalytischen Leistung führte.

Basierend auf diesen Erkenntnissen hat das Forschungsteam mehrere Wege für die weitere Katalysatorforschung vorgeschlagen. In erster Linie betonen sie die Notwendigkeit einer Metrik, mit der sowohl Aktivität als auch Stabilität gleichzeitig bewertet werden können. Diese als Aktivitätsstabilitätsfaktor bekannte Kennzahl wurde erstmals 2017 von Kims Forschungsgruppe eingeführt.

Darüber hinaus plädiert das Team für die Beibehaltung überlegener Katalysatoreigenschaften auch nach der Bildung von Nanostrukturen, um die elektrochemisch aktive Oberfläche des Elektrokatalysators zu vergrößern. Sie unterstreichen auch die Bedeutung einer sorgfältigen Auswahl geeigneter Materialien, die bei der Legierung mit anderen Metallen wirksame Synergien erzielen können. Der Kern dieser Studie besteht nicht darin, spezifische Ergebnisse wie die Entwicklung neuer Katalysatoren vorzustellen, sondern vielmehr darin, wesentliche Überlegungen zum Katalysatordesign anzubieten.

Professor Yong-Tae Kim, der die Forschung leitete, sagte: „Diese Forschung markiert den Anfang unserer Reise, nicht den Abschluss.“ Er teilte seine Vision mit den Worten: „Wir widmen uns der kontinuierlichen Entwicklung effizienter Wasserelektrolysekatalysatoren auf der Grundlage der Erkenntnisse aus dieser Forschung.“