Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Chen Changlun vom Hefei Institute of Physical Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelte zusammen mit Kollegen fortschrittliche, mit Kobalt dotierte bipolare Nickelhydroxidelektroden und Katalysatoren aus unedlen Metallen, die die Effizienz und Stabilität der zweistufigen Wasserelektrolyse zur Wasserstoffproduktion deutlich verbesserten.
Die Ergebnisse wurden veröffentlicht in Zeitschrift für Chemieingenieurwesen und das Zeitschrift für Kolloid- und Grenzflächenwissenschaft.
Herkömmliche alkalische Elektrolyseure haben mit Problemen zu kämpfen, wie etwa der mangelnden Anpassung an schwankende erneuerbare Energiequellen und der Vermischung von Wasserstoff und Sauerstoff unter hohem Druck, was ihre Anwendungsmöglichkeiten einschränkt. Die zweistufige Wasserelektrolyse überwindet diese Probleme, indem sie die Produktion von Wasserstoff und Sauerstoff mithilfe einer bipolaren Elektrode zeitlich und räumlich vollständig trennt, wodurch ein teurer Membranabscheider überflüssig wird.
Der Schlüssel liegt in der Entwicklung hochleistungsfähiger bipolarer Elektrodenmaterialien und effizienter Zelldesigns. Die üblicherweise verwendeten Nickelhydroxid-Elektroden weisen jedoch Einschränkungen hinsichtlich der elektrischen Pufferkapazität und der Lade-/Entladestabilität auf.
Die Forscher verwendeten ein einstufiges galvanisches Verfahren, um mit Kobalt dotierte flexible bipolare Nickelhydroxid-Elektroden auf Kohlenstoffgewebe herzustellen. Die Kobaltdotierung verbesserte die Leitfähigkeit und die elektronische Speicherleistung und verhinderte die parasitäre Sauerstoffproduktion während der Wasserstoffproduktion.
Sie entwickelten auch Katalysatoren aus Nichtedelmetallen, darunter mit Molybdän dotiertes Nickel-Kobaltphosphid und plasmainduzierte bifunktionelle Elektroden aus Eisenverbund-Kobaltoxid, die eine hohe Haltbarkeit und Aktivität zeigten. Diese Elektroden ermöglichten die Produktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu unterschiedlichen Zeiten und an unterschiedlichen Orten durch Umschalten der Stromrichtung, was zu niedrigen Zellspannungen, hoher Entkopplungseffizienz und hoher Energieumwandlungseffizienz führte.
Zur Verbesserung der Elektroden aus geschichtetem Doppelhydroxid (LDH), die unter begrenzter Kapazität und schlechter Leitfähigkeit/Stabilität leiden, verwendeten die Forscher nichtthermische Plasmatechnologie zur Herstellung von stickstoffdotiertem Nickel-Kobalt-LDH und stickstoffdotiertem reduziertem Graphenoxid/Nickel-Kobalt-LDH-Elektroden, die Kapazität und Leitfähigkeit deutlich verbesserten.
Die zweistufige Wasserelektrolyse ist vielversprechend für die großtechnische Wasserstoffspeicherung und Anwendungen wie 5G-Basisstationen und Rechenzentren. „Unsere Leistungsindikatoren für die zweistufige Wasserelektrolyse zur Wasserstoffproduktion sind weltweit mit fortschrittlichen Indikatoren synchronisiert und markieren einen wichtigen Schritt in Richtung industrieller Nutzung“, sagte Prof. Chen Changlun.
Mehr Informationen:
Chengwei Sun et al., Präzise Oberflächenreorganisation auf in Eisen eingearbeiteten Kobaltoxiden/Phosphiden mittels Plasmatechnologie für alkalische Wasser-/Meerwasserelektrolyte, Zeitschrift für Chemieingenieurwesen (2023). DOI: 10.1016/j.cej.2023.147374
Yuan He et al., Kobaltdotierte Nickelhydroxidelektrode mit hoher Pufferkapazität als Redoxmediator für die flexible Wasserstoffentwicklung durch zweistufige Wasserelektrolyse, Zeitschrift für Kolloid- und Grenzflächenwissenschaft (2023). DOI: 10.1016/j.jcis.2023.06.102