Ein nachhaltiger Weg zur Produktion von grünem Wasserstoff wird durch den Einsatz effizienter Elektrokatalysatoren in der Forschung des Chemieingenieurprofessors der Texas A&M University, Dr. Abdoulaye Djire, möglich.
In CHEM-KatalyseDjire, Chemieingenieur-Doktorand David Kumar Yesudoss und Materialwissenschafts- und Ingenieurprofessor Dr. Miladin Radovic erläutern ihre Forschung mit MXenes – einer neuen Klasse von 2D-Schichtmaterialien – als Katalysator, der das Ru-Atom für die Katalyse der Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) unterstützt für die Produktion von grünem Wasserstoff.
Ziel ist die Herstellung von grünem Wasserstoff aus billigen, auf der Erde reichlich vorhandenen Materialien, die erneuerbaren Strom nutzen. Platin – ein teures Edelmetall – ist der aktuelle Benchmark-Katalysator für diese Reaktion. Die Verwendung dieser kostengünstigen Katalysatoren anstelle von Platin werde die Kosten der daraus resultierenden Wasserstofftechnologie erheblich senken, sagte Djire.
„Meine Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung und Bewertung von Materialien, die als Katalysatoren für eine nachhaltige Chemieproduktion eingesetzt werden können“, sagte Yesudoss. „Wir konnten die Kosten für Katalysatoren, die bei der Herstellung von grünem Wasserstoff verwendet werden, um die Hälfte reduzieren, was meiner Meinung nach wirklich erheblich ist.“
Mehr als 95 % des in der chemischen Industrie verwendeten Wasserstoffs werden durch Dampfreformierung von Methan hergestellt – eine Methode für fossile Brennstoffe mit negativen Auswirkungen auf die Umwelt, sagte Djire.
Die bestehende kommerzielle Methode zur Herstellung von Wasserstoff ist nicht nachhaltig und trägt zur globalen Erwärmung bei. Djire sagte, diese Arbeit werde den Weg für nachhaltige Wasserstofftechnologien ebnen.
„Wir haben gezeigt, dass die Reaktionsgeschwindigkeit der elektrochemischen Umwandlungsprozesse erhöht werden kann, indem die elektrochemischen Reaktionen dieser 2D-nanostrukturierten Materialien (MXenes genannt) modifiziert werden, die in unserem Labor an der Texas A&M University hergestellt werden“, sagte Djire. „Durch den Einsatz von Metall konnten wir kostengünstige Materialien optimieren und ihre Leistung so steigern, dass sie der von Edelmetallen nahezu entspricht. Insbesondere können wir in die Struktur des Materials hinein die elektrokatalytische Leistung des Materials deutlich verbessern.“
Letztlich will die Gruppe die Kosten des Systems weiter senken, indem sie die Partikelgröße auf einzelne Atome reduziert.
„Solche Edelmetalle sind schwer abzubauen; unser Ansatz wird sicherstellen, dass jedes Atom effektiv für die Produktion von grünem Wasserstoff genutzt wird“, sagte Yesudoss. „Die Größe eines Atoms beträgt ungefähr weniger als einen Nanometer. Wir reden also etwa 50.000 Mal kleiner als ein menschliches Haar.“
Die Gruppe nutzte die Dichtefunktionaltheorie, um synergistische Effekte zwischen Ru und MXene zu zeigen, die von ihrem Mitarbeiter Dr. Kingsley Obodo von der North-West University in Südafrika durchgeführt wurden. Diese Zusammenarbeit wurde letztes Jahr im Rahmen des Symposiums „US-Africa Frontiers of Science, Engineering and Medicine“ in Nairobi, Kenia, ins Leben gerufen, zu dem sowohl Djire als auch Obodo eingeladene Teilnehmer waren.
„In dieser Studie haben wir einen Weg für eine weitere und möglicherweise vielversprechendste Anwendung von MXenes als Katalysatoren für HER eröffnet“, sagte Radovic.
Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Ru-Atome vorzugsweise an den Oberflächen des MXens anlagern. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde ein neuer Ansatz zur Abstimmung der elektrokatalytischen Aktivität von MXenen gefunden, um die Entwicklung einer kostengünstigen, effizienten und nachhaltigen Wasserstofftechnologie zu beschleunigen.
„Wenn diese Technologie weiterentwickelt wird, hat sie das Potenzial, die chemische Industrie zu revolutionieren“, sagte Djire.
Weitere teilnehmende Mitarbeiter sind der Doktorand Ekenedilichukwu Uwadiunor und der Student Hoang Nguyen vom Artie McFerrin Department of Chemical Engineering bei Texas A&M sowie die Doktoranden Vrushali Kotastane und Eugenie Pranda vom Department of Materials Science and Engineering bei Texas A&M und Dr. Kingsley Obodo von HySa-Infrastruktur an der North-West University in Südafrika.
Während des US-Africa Frontiers-Symposiums im letzten Jahr lernte Djire Obodo kennen und bemerkte, dass seine Arbeit rechnerische Arbeit beinhaltet, bei der maschinelles Lernen, Dichte und Funktionstheorie zum Einsatz kommen. Von da an begann die Partnerschaft.
Mehr Informationen:
Ekenedilichukwu Uwadiunor et al., Pt-ähnliche katalytische Aktivität eines atomistisch hergestellten Carbonitrid-MXens für eine nachhaltige Wasserstoffproduktion, Chemische Katalyse (2023). DOI: 10.1016/j.checat.2023.100634