Bifunktionale Elektrokatalysatoren für die effiziente Wasserstoffproduktion durch umfassende Hydrazinspaltung

Wasserstoff gilt weithin als vielversprechende saubere Energiequelle, vor allem aufgrund seiner hohen Energiedichte und der Abwesenheit von Kohlenstoffemissionen bei seiner Nutzung. Diese Eigenschaft macht Wasserstoff zu einem idealen Kandidaten, um den wachsenden Energiebedarf zu decken und die Umweltauswirkungen zu mildern, die mit der übermäßigen Nutzung nicht erneuerbarer fossiler Brennstoffe in den letzten Jahrzehnten verbunden sind.

Um erneuerbare Energie aus Quellen wie Sonnen-, Wind- und Gezeitenenergie zu nutzen, besteht eine überzeugende Strategie darin, diese volatile Energie in Wasserstoff umzuwandeln. Dieser Ansatz trägt nicht nur dazu bei, die Energienachfragelücke zu schließen, sondern trägt auch zur allgemeinen Nachhaltigkeit der menschlichen Gesellschaft bei.

Derzeit gilt die Gesamtwasserspaltung (OWS) als praktikable Methode zur Wasserstoffproduktion. OWS wird mit erneuerbarer Energie betrieben und ermöglicht die Erzeugung von Wasserstoff durch die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) an der Kathode.

Allerdings wird die Faradaysche Effizienz der Wasserstoffproduktion durch die anodische Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) beeinträchtigt, die durch eine träge Kinetik und ein hohes thermodynamisches Potenzial gekennzeichnet ist.

Daher besteht ein dringender Bedarf an der Entwicklung fortschrittlicher Elektrokatalysatoren für OER oder andere Oxidationsreaktionen mit schneller Kinetik und niedrigen thermodynamischen Potentialen.

Ein alternativer Ansatz, der an Bedeutung gewinnt, ist die Gesamthydrazinspaltung (OHzS) zur Wasserstoffproduktion unter Nutzung der anodischen Hydrazinoxidationsreaktion (HzOR). HzOR weist im Vergleich zu OER weniger Elektronen und eine schnellere Kinetik auf, was es zu einem vielversprechenden Ansatz macht. Dennoch bleibt die Synthese bifunktioneller Elektrokatalysatoren für HER und HzOR mit niedrigen Überpotentialen eine erhebliche Herausforderung.

Kürzlich stellte ein Forschungsteam in China eine neuartige Lösung in Form eines zweidimensionalen multifunktionalen geschichteten Doppelhydroxids vor, das aus einem Vorläufer einer metallorganischen Gerüstfolie abgeleitet ist. Dieses Material wird von nanoporösem Gold unterstützt und sorgt so für eine hohe Porosität. Die Studie ist veröffentlicht im Tagebuch Grenzen der chemischen Wissenschaft und Technik.

Bemerkenswerterweise zeigt dieser Elektrokatalysator zwei attraktive Aktivitäten sowohl für HER als auch für HzOR. In der Praxis zeigt die OHzS-Zelle eine überlegene Leistung und benötigt nur eine Zellspannung von 0,984 V, um 10 mA∙cm-2 zu liefern, eine bemerkenswerte Verbesserung im Vergleich zum OWS-System (1,849 V).

Darüber hinaus weist die Elektrolysezelle eine bemerkenswerte Stabilität auf und arbeitet mehr als 130 Stunden lang ununterbrochen. Dieser innovative Ansatz steigert nicht nur die Effizienz der Wasserstoffproduktion, sondern verspricht auch eine nachhaltigere und sauberere Energiezukunft.