Insgesamt 137 Länder weltweit haben ein Klimaschutzabkommen unterzeichnet, um die Nutzung fossiler Brennstoffe zu beenden und bis 2050 keine CO2-Emissionen mehr zu verursachen. Wasserstoff wird als die nächste grüne Energiequelle angepriesen, da bei seiner Nutzung als Energiequelle lediglich Wasser und Sauerstoff freigesetzt werden.
Je nach Energiequelle und Kohlenstoffemissionen werden die Wasserstoffproduktionsmethoden in grauen, blauen und grünen Wasserstoff unterteilt. Die Methode der grünen Wasserstoffproduktion ist die umweltfreundlichste Methode, bei der Wasserstoff ohne Kohlenstoffemissionen durch Elektrolyse von Wasser mit grüner Energie erzeugt wird.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Albert Sung Soo Lee vom Convergence Research Center for Solutions to Electromagnetic Interference in Future-Mobility and Materials Architecturing Research Center am Korea Institute of Science and Technology (KIST) hat in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Professor Chong Min Koo an der Sungkyunkwan University ein oxidationsstabiles, auf Molybdän basierendes MXen als Elektrokatalysatorträger in Wasserelektrolyseuren mit Anionenaustauschmembranen entwickelt.
Die Studie ist veröffentlicht im Journal Angewandte Katalyse B: Umwelt und Energie.
Da es gegenüber oxidativen Hochspannungsbedingungen stabil ist, kann es, wenn es als Träger für Elektrolysekatalysatoren eingesetzt wird, als Elektrodenmaterial für die Sauerstoffentwicklungsreaktion bei der Produktion von grünem Wasserstoff verwendet werden, um die Kosten der Produktion von grünem Wasserstoff zu senken.
Die Zerlegung von Wasser in Wasserstoff- und Sauerstoffmoleküle erfordert viel Energie. Um diese anfängliche Reaktionsenergie zu reduzieren, wird ein Katalysator verwendet. Je kleiner der Katalysator, der aus winzigen Nanopartikeln besteht, desto größer ist die Oberfläche, die die Reaktion ermöglicht.
Mit der Zeit können sich jedoch kleine Katalysatorpartikel verklumpen, wodurch die Oberfläche verkleinert und die Effizienz der Wasserstoffproduktion verringert wird. Um dies zu verhindern, werden Katalysatoren und Träger zusammen verwendet. Kohlenstoff wird hauptsächlich für die Kathode verwendet, wo Wasserstoff produziert wird. Wenn Kohlenstoff jedoch in einer Oxidationsreaktion an der Anode verwendet wird, wird er zu Kohlendioxid oxidiert. Daher ist ein Träger mit hoher Oxidationsbeständigkeit erforderlich.
Ein Material, das als Träger verwendet werden kann, ist MXene. MXene sind Nanomaterialien, die aus Metallatomen (Ti, Mo, Hf, Ta usw.) und Kohlenstoff- oder Stickstoffatomen bestehen, elektrisch leitende Eigenschaften aufweisen und eine 2D-Nanostruktur besitzen, die als Katalysatorträger geeignet ist, was sie für die Wasserstoffproduktion günstig macht.
Aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit wurden MXene auf Titanbasis am häufigsten untersucht. Die atomare Natur von Titan, das in Wasser leicht oxidiert, hat jedoch den inhärenten Nachteil, dass der Katalysator keine hohe elektrische Leitfähigkeit aufrechterhalten kann. Um dieses Problem zu lösen, entwickelte das Team einen neuen Anodenkatalysator, der MXene auf Molybdänkarbidbasis als Träger verwendet.
Wenn das molybdänbasierte MXen als Träger verwendet wird, entstehen starke chemische Bindungen zwischen den Molybdänatomen auf der Oberfläche des MXens und dem aktiven Material Kobalt.
Die daraus resultierenden chemischen Bindungen steigerten die Effizienz der Wasserstoffproduktion um das 2,45-fache. Insbesondere wurde die Haltbarkeit der Einheitszelle im Vergleich zu den Ergebnissen eines neueren titanbasierten MXenes, das weniger als 40 Stunden hielt, um mehr als das Zehnfache verbessert.
Dadurch sollen die Kosten für die Produktion von grünem Wasserstoff gesenkt werden. Dies soll künftig in großen Wasserstoffproduktionsanlagen und großen grünen Wasserstoffkraftwerken zum Einsatz kommen.
„Durch die Kontrolle der Elemente, aus denen MXene besteht, konnten wir geeignete Kandidaten für Umgebungen zur Produktion von grünem Wasserstoff finden und dadurch eine stabile MXene-Unterstützung in einer oxidierenden Umgebung sicherstellen“, sagte Dr. Albert Sung Soo Lee von KIST.
„In Zukunft werden wir zur Wiederbelebung der wasserstoffbasierten Wirtschaft beitragen, indem wir sauerstofferzeugende Elektrodenkatalysatoren mit katalytischer Effizienz und Haltbarkeit entwickeln.“
Mehr Informationen:
Young Sang Park et al., Enthüllung der Rolle katalytisch aktiver MXene-Träger bei der Verbesserung der Leistung und Haltbarkeit von Kobalt-Sauerstoffentwicklungsreaktionskatalysatoren für Wasserelektrolyseure mit Anionenaustauschmembranen, Angewandte Katalyse B: Umwelt und Energie (2024). DOI: 10.1016/j.apcatb.2024.123731