Ein neuer, kostengünstiger Katalysator beschleunigt die Produktion von Sauerstoff aus Wasser

Eine elektrochemische Reaktion, die Wassermoleküle spaltet, um Sauerstoff zu erzeugen, steht im Mittelpunkt mehrerer Ansätze, die darauf abzielen, alternative Kraftstoffe für den Transport herzustellen. Diese Reaktion muss jedoch durch ein Katalysatormaterial erleichtert werden, und die heutigen Versionen erfordern die Verwendung seltener und teurer Elemente wie Iridium, was das Potenzial einer solchen Kraftstoffproduktion einschränkt.

Jetzt haben Forscher am MIT und anderswo eine völlig neue Art von Katalysatormaterial entwickelt, das als Metallhydroxid-organisches Gerüst (MHOF) bezeichnet wird und aus kostengünstigen und reichlich vorhandenen Komponenten besteht. Die Materialfamilie ermöglicht es Ingenieuren, die Struktur und Zusammensetzung des Katalysators genau auf die Anforderungen eines bestimmten chemischen Prozesses abzustimmen, und er kann dann die Leistung herkömmlicher, teurerer Katalysatoren erreichen oder übertreffen.

Die Ergebnisse werden heute in der Zeitschrift beschrieben Naturmaterialienin einem Artikel von MIT-Postdoc Shuai Yuan, Doktorand Jiayu Peng, Professor Yang Shao-Horn, Professor Yuriy Román-Leshkov und neun anderen.

Sauerstoffentwicklungsreaktionen sind eine der Reaktionen, die bei der elektrochemischen Herstellung von Brennstoffen, Chemikalien und Materialien üblich sind. Diese Prozesse umfassen die Erzeugung von Wasserstoff als Nebenprodukt der Sauerstoffentwicklung, der direkt als Kraftstoff verwendet werden kann oder chemischen Reaktionen unterzogen werden kann, um andere Kraftstoffe für den Transport herzustellen; die Herstellung von Ammoniak zur Verwendung als Düngemittel oder chemisches Ausgangsmaterial; und Kohlendioxidreduzierung, um Emissionen zu kontrollieren.

Aber ohne Hilfe „sind diese Reaktionen träge“, sagt Shao-Horn. „Für eine Reaktion mit langsamer Kinetik muss man Spannung oder Energie opfern, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu fördern.“ Aufgrund des zusätzlichen Energieaufwands ist „der Gesamtwirkungsgrad gering. Deshalb verwenden die Menschen Katalysatoren“, sagt sie, da diese Materialien auf natürliche Weise Reaktionen fördern, indem sie den Energieaufwand senken.

Aber bis jetzt sind diese Katalysatoren „alle auf teure Materialien oder späte Übergangsmetalle angewiesen, die sehr knapp sind, zum Beispiel Iridiumoxid, und es gab große Anstrengungen in der Gemeinschaft, Alternativen auf der Grundlage von auf der Erde reichlich vorhandenen Materialien zu finden, die dasselbe haben Leistung in Bezug auf Aktivität und Stabilität“, sagt Román-Leshkov. Das Team sagt, es habe Materialien gefunden, die genau diese Kombination von Eigenschaften bieten.

Andere Teams haben die Verwendung von Metallhydroxiden wie Nickel-Eisen-Hydroxiden untersucht, sagt Román-Leshkov. Solche Materialien waren jedoch schwierig auf die Anforderungen spezifischer Anwendungen maßzuschneidern. „Der Grund, warum unsere Arbeit ziemlich aufregend und ziemlich relevant ist, ist, dass wir einen Weg gefunden haben, die Eigenschaften durch Nanostrukturierung dieser Metallhydroxide auf einzigartige Weise maßzuschneidern.“

Das Team stützte sich auf Forschungen zu einer verwandten Klasse von Verbindungen, die als metallorganische Gerüste (MOFs) bekannt sind, bei denen es sich um eine Art kristalline Struktur aus Metalloxidknoten handelt, die mit organischen Verbindungsmolekülen verbunden sind. Indem das Metalloxid in solchen Materialien durch bestimmte Metallhydroxide ersetzt wurde, stellte das Team fest, dass es möglich wurde, präzise abstimmbare Materialien herzustellen, die auch die notwendige Stabilität hatten, um möglicherweise als Katalysatoren nützlich zu sein.

„Sie legen diese Ketten dieser organischen Linker nebeneinander, und sie lenken tatsächlich die Bildung von Metallhydroxidschichten, die mit diesen organischen Linkern verbunden sind, die dann gestapelt werden und eine höhere Stabilität haben“, sagt Román-Leshkov. Dies hat mehrere Vorteile, sagt er, indem es eine präzise Kontrolle über die nanostrukturierte Musterung ermöglicht, eine präzise Kontrolle der elektronischen Eigenschaften des Metalls ermöglicht und auch eine größere Stabilität bietet, die es ihnen ermöglicht, lange Nutzungszeiten zu überstehen.

Beim Testen solcher Materialien fanden die Forscher die Leistung der Katalysatoren „überraschend“, sagt Shao-Horn. „Es ist vergleichbar mit dem der hochmodernen Oxidmaterialien, die die Sauerstoffentwicklungsreaktion katalysieren.“

Da diese Materialien größtenteils aus Nickel und Eisen bestehen, sollten sie mindestens 100-mal billiger sein als bestehende Katalysatoren, sagen sie, obwohl das Team noch keine vollständige wirtschaftliche Analyse durchgeführt hat.

Diese Materialfamilie „bietet wirklich einen neuen Raum, um die aktiven Zentren für die Katalyse der Wasserspaltung abzustimmen, um Wasserstoff mit reduziertem Energieaufwand zu erzeugen“, sagt Shao-Horn, um die genauen Anforderungen eines bestimmten chemischen Prozesses zu erfüllen, bei dem solche Katalysatoren benötigt werden.

Die Materialien können laut Peng eine „fünfmal größere Einstellbarkeit“ bieten als bestehende Katalysatoren auf Nickelbasis, indem einfach Nickel in der Verbindung durch andere Metalle ersetzt wird. „Dies würde möglicherweise viele relevante Wege für zukünftige Entdeckungen bieten.“ Die Materialien können auch in extrem dünnen Folien hergestellt werden, die dann auf ein anderes Material beschichtet werden könnten, was die Materialkosten solcher Systeme weiter senkt.

Bisher wurden die Materialien in kleinen Labortestgeräten getestet, und das Team befasst sich nun mit den Problemen des Versuchs, den Prozess auf kommerziell relevante Maßstäbe zu skalieren, was noch einige Jahre dauern könnte. Aber die Idee hat großes Potenzial, sagt Shao-Horn, um die Produktion von sauberem, emissionsfreiem Wasserstoffbrennstoff zu katalysieren, so dass „wir die Kosten für Wasserstoff aus diesem Prozess senken können, ohne durch die Verfügbarkeit von Edelmetallen eingeschränkt zu werden . Das ist wichtig, denn wir brauchen Technologien zur Wasserstoffproduktion, die skalierbar sind.“

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website, die Neuigkeiten über MIT-Forschung, -Innovation und -Lehre enthält.