Der Energiebedarf der Welt steigt ständig. Auf unserer Suche nach sauberen und umweltfreundlichen Energielösungen bietet transportable Wasserstoffenergie viel Potenzial. In diesem Zusammenhang haben Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyseure (PEMWEs), die überschüssige elektrische Energie durch Wasserelektrolyse in transportierbare Wasserstoffenergie umwandeln, großes Interesse geweckt.
Ihr breiter Einsatz zur Wasserstoffproduktion bleibt jedoch aufgrund der langsamen Geschwindigkeit der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) – einem wichtigen Bestandteil der Elektrolyse – und der hohen Beladung der Elektroden mit teuren Metalloxidkatalysatoren wie Iridium (Ir) und Rutheniumoxiden begrenzt . Daher ist die Entwicklung kostengünstiger und leistungsstarker OER-Katalysatoren für die breite Anwendung von PEMWEs notwendig.
Kürzlich hat ein Forscherteam aus Korea und den USA unter der Leitung von Professor Chanho Pak vom Gwangju-Institut für Wissenschaft und Technologie in Korea einen neuartigen, auf mesoporösem Tantaloxid (Ta2O5) basierenden Iridium-Nanostrukturkatalysator mithilfe einer modifizierten Ameisensäurereduktionsmethode entwickelt, die dies erreicht effiziente PEM-Wasserelektrolyse.
Ihre Studie wurde im veröffentlicht Zeitschrift für Energiequellen. Die Studie wurde von Dr. Chaekyung Baik, einem Postdoktoranden am Korea Institute of Science and Technology (KIST), mitverfasst.
„Die elektronenreiche Ir-Nanostruktur wurde gleichmäßig auf dem stabilen mesoporösen Ta2O5-Träger verteilt, der mithilfe einer Soft-Template-Methode in Kombination mit einem Ethylendiamin-Ummantelungsprozess hergestellt wurde, wodurch die Ir-Menge in einer einzelnen PEMWE-Zelle effektiv auf 0,3 mg cm–2 verringert wurde.“ erklärt Prof. Pak. Wichtig ist, dass das innovative Ir/Ta2O5-Katalysatordesign nicht nur die Nutzung von Ir verbesserte, sondern auch eine höhere elektrische Leitfähigkeit und eine große elektrochemisch aktive Oberfläche ermöglichte.
Darüber hinaus zeigten Röntgenphotoelektronen- und Röntgenabsorptionsspektroskopien eine starke Metall-Träger-Wechselwirkung zwischen Ir und Ta, während Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie auf einen Ladungstransfer von Ta auf Ir hindeuteten, der die starke Bindung von Adsorbaten wie O und OH induzierte und hielt das Ir(III)-Verhältnis im oxidativen OER-Prozess aufrecht. Dies wiederum führte zu einer erhöhten Aktivität von Ir/Ta2O5 mit einem geringeren Überpotential von 0,385 V im Vergleich zu 0,48 V für IrO2.
Das Team zeigte auch experimentell eine hohe OER-Aktivität des Katalysators und beobachtete ein Überpotential von 288 ± 3,9 mV bei 10 mA cm−2 und eine Massenaktivität von 876,1 ± 125,1 A g−1 von Ir bei 1,55 V, was deutlich über den entsprechenden Werten liegt für Ir Black. Tatsächlich zeigte Ir/Ta2O5 eine hervorragende OER-Aktivität und Stabilität, was durch einen Einzelzellenbetrieb der Membran-Elektroden-Anordnung über 120 Stunden weiter bestätigt wurde.
Die vorgeschlagene Technologie bietet den doppelten Vorteil einer verringerten Ir-Beladung und einer verbesserten OER-Effizienz. „Die verbesserte OER-Effizienz ergänzt die Kosteneffizienz des PEMWE-Prozesses und steigert seine Gesamtleistung. Dieser Fortschritt hat das Potenzial, die Kommerzialisierung von PEMWEs zu revolutionieren und ihre Einführung als primäre Methode zur Wasserstoffproduktion zu beschleunigen“, spekuliert ein optimistischer Prof. Pak .
Mehr Informationen:
Chaekyung Baik et al., Elektronenreiche Ir-Nanostruktur auf mesoporösem Ta2O5 für erhöhte Aktivität und Stabilität der Sauerstoffentwicklungsreaktion, Zeitschrift für Energiequellen (2023). DOI: 10.1016/j.jpowsour.2023.233174
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