Elektrolyse ist ein Prozess, bei dem Elektrizität genutzt wird, um aus Wasser Wasserstoff- und Sauerstoffmoleküle zu erzeugen. Der Einsatz von Protonenaustauschmembranen (PEM) und erneuerbarer Energie für die Wasserelektrolyse gilt weithin als nachhaltige Methode zur Wasserstoffproduktion. Eine Herausforderung bei der Weiterentwicklung der PEM-Wasserelektrolysetechnologie ist jedoch der Mangel an effizienten, kostengünstigen und stabilen Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) in sauren Lösungen während der PEM-Wasserelektrolyse.
Während Katalysatoren auf Iridiumbasis eine mögliche Lösung darstellen, ist metallisches Iridium in der Natur selten und teuer. Alternativ bieten Rutheniumoxide (RuO2) eine kostengünstigere und reaktivere Option, weisen aber auch Stabilitätsprobleme auf. Daher erforschen Forscher Möglichkeiten zur Verbesserung der Stabilität der RuO2-Struktur, um vielversprechende OER-Katalysatoren für die erfolgreiche Umsetzung der Wasserstoffproduktionstechnologie zu entwickeln.
Nun, in einer aktuellen Studie, die in der veröffentlicht wurde Zeitschrift für Energiechemiehat eine Forschergruppe unter der Leitung von Professor Haeseong Jang vom Department of Advanced Materials Engineering der Chung-Ang-Universität einen vielversprechenden OER-Katalysator entwickelt.
Der als SA Zn-RuO2 bezeichnete Katalysator besteht aus RuO2, das durch einzelne Zinkatome stabilisiert ist. Prof. Jang führt ihre Studie weiter aus und sagt: „Wir waren von der Notwendigkeit motiviert, effiziente und kostengünstige alternative Elektrokatalysatoren für OER in der PEM-Wasserelektrolyse zu finden. Basierend auf unserer Studie schlagen wir eine Dual-Engineering-Strategie vor, die die Dotierung einzelner Atome mit Zn umfasst.“ und die Einführung von Sauerstofffehlstellen, um eine hohe katalytische Aktivität mit Stabilität während saurer OER in Einklang zu bringen.“
Die Forscher synthetisierten SA Zn-RuO2 durch Erhitzen eines organischen Gerüsts mit Ruthenium- (Ru) und Zinkatomen, wodurch eine Struktur mit Sauerstoffleerstellen (fehlende Sauerstoffatome, die die Eigenschaften positiv verändern) und Zn-O-Ru-Verknüpfungen bildeten.
Diese Bindungen stabilisieren den Katalysator auf zwei Arten: durch die Stärkung der Ru-O-Bindungen und die Bereitstellung von Elektronen aus Zinkatomen, um Ruthenium vor Überoxidation während des OER-Prozesses zu schützen. Darüber hinaus verringert die verbesserte elektronische Umgebung um die Rutheniumatome die Energie, die Moleküle zum Anhaften an der Oberfläche benötigen, und senkt somit die Energiebarriere für die Reaktion.
Der resultierende Katalysator war stabiler, ohne erkennbaren Rückgang der Reaktivität, und übertraf die Leistung von kommerziellem RuO2 deutlich. Darüber hinaus benötigte es weniger zusätzliche Energie (geringe Überspannung von 213 mV im Vergleich zu 270 mV für kommerzielles RuO2) und blieb über einen längeren Zeitraum funktionsfähig (43 Stunden im Vergleich zu 7,4 Stunden für kommerzielles RuO2).
Aufgrund seiner verbesserten Stabilität und Eigenschaften hat der neu vorgeschlagene SA Zn-RuO2-Katalysator das Potenzial, die Entwicklung kostengünstiger, aktiver und säurebeständiger Elektrokatalysatoren für OER zu beeinflussen. Dies wiederum könnte dazu beitragen, die Kosten zu senken und die Produktion von grünem Wasserstoff zu steigern, was zu einer Verlagerung hin zu saubereren Energiequellen und Fortschritten bei nachhaltigen Technologien beiträgt.
„Wir glauben, dass dieser Wandel die Industrie, den Transport und die Energieinfrastruktur revolutionieren und zu den Bemühungen beitragen kann, den Klimawandel zu bekämpfen und eine widerstandsfähigere und umweltbewusstere Zukunft zu fördern. Dies liegt daran, dass zugänglicher grüner Wasserstoff eine transformative Wirkung auf Gesellschaften haben kann, indem er ihn abschwächt.“ „Umweltauswirkungen zu reduzieren, Arbeitsplätze zu schaffen und Energiesicherheit durch diversifizierte und nachhaltige Energielösungen zu gewährleisten“, erklärt Prof. Jang.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der hochreaktive und katalytisch stabile RuO2-Katalysator für die saure OER eine längere Haltbarkeit und günstige Eigenschaften aufweist und Potenzial für die Entwicklung robuster und aktiver nicht-iridiumbasierter OER-Elektrokatalysatoren für praktische Anwendungen bietet.
Mehr Informationen:
Qing Qin et al., Optimierung der elektronischen Struktur von RuO2 durch Einzelatom-Zn- und Sauerstoff-Fehlstellen, um die Sauerstoffentwicklungsreaktion in saurem Medium zu steigern, Zeitschrift für Energiechemie (2023). DOI: 10.1016/j.jechem.2023.09.010
Zur Verfügung gestellt von der Chung Ang University