Katalysatoren auf Iridium-Basis dürften die Effizienz der Produktion von grünem Wasserstoff steigern

Die mit Wind- und Sonnenenergie betriebene Wasserstoffproduktion ist immer noch zu teuer, wenn sie beim sauberen Übergang durch Energiespeicherung eine Rolle spielen und zur Dekarbonisierung schwer zu elektrifizierender Sektoren beitragen soll. Viele Anstrengungen zur Reduzierung der Kosten konzentrieren sich auf die Steigerung der Produktionseffizienz durch Verbesserung der Leistung von Katalysatoren auf Iridiumbasis, die den sauerstoffbezogenen Teil der elektrochemischen Reaktion beschleunigen können, die an der Aufspaltung von Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff beteiligt ist.

Ein neuer Überblick über den Stand des Gebiets diskutiert seine jüngsten Fortschritte und Herausforderungen und identifiziert Forschungslücken, die gefüllt werden müssen, bevor solche Katalysatoren kommerziell rentabel werden können.

Das Übersichtspapier wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Nano-Forschungsenergie.

Sauber produzierter Wasserstoff ist für die Abkehr von fossilen Brennstoffen zur Vermeidung des gefährlichen Klimawandels unerlässlich, sowohl als allein zu verwendender Energieträger als auch als Bestandteil eines synthetischen Kraftstoffs für Wirtschaftszweige wie die Langstrecke Schiffahrt und Luftfahrt, die schwer zu elektrifizieren sind.

Aber eine solche Produktion von sauberem Wasserstoff – die mittels Elektrolyse durchgeführt wird, wobei Wasser mit Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird – ist extrem energieintensiv. Diese Energieintensität der Elektrolyse wiederum macht die saubere Produktion von Wasserstoff sehr teuer und damit nicht wettbewerbsfähig gegenüber fossilen Brennstoffen.

Als ob dies noch nicht genug Herausforderung wäre, stellt die Verwendung von Wind- und Sonnenenergie als saubere Stromquelle für die Elektrolyse – eine als „grüner Wasserstoff“ bezeichnete Form der Wasserstoffproduktion – eine erhebliche Belastung für die Elektrolyseure dar, da diese Energiequellen intermittierend sind. Die Sonne scheint nicht immer und der Wind weht nicht immer.

Dies bedeutet, dass manchmal wenig bis gar kein Strom vorhanden ist und manchmal eine große Stromspitze auftreten kann, die die Elektrolyseure belastet und die Kosten wieder in die Höhe treibt. Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyseure (PEMWE) sind hier jedoch eine sehr vielversprechende Option, da PEMWEs bei hohen Stromdichten, wie sie durch diese Spikes entstehen, betrieben werden können.

Die Elektrolyse ist eine chemische Reaktion, die aus zwei Teilen oder „Halbreaktionen“ besteht. Die eine ist die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER), die den Wasserstoff erzeugt, und die andere ist die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER), die den Sauerstoff erzeugt. Aber gerade letztere Reaktion ist im Hinblick auf die Energieeffizienz des Gesamtprozesses und damit die Produktion von sauberem Wasserstoff am wichtigsten.

Um den Energiebedarf und damit die Kosten einer sauberen Wasserstoffproduktion zu senken, konzentrierte sich ein Großteil der Forschung auf überlegene Katalysatoren – Chemikalien, die eine chemische Reaktion beschleunigen – für den OER-Teil des Prozesses und die sich gut mit PEMWEs kombinieren lassen.

Die starke Korrosion in der sauren Umgebung von PEMWEs macht jedoch die meisten Katalysatoren auf Basis von Nichtedelmetallen – beispielsweise unter Verwendung von Kobalt, Nickel oder Eisen – instabil. Aber Iridium-basierte Katalysatoren weisen unter diesen harten sauren Bedingungen eine viel bessere katalytische Stabilität auf.

Eine Reihe neuerer Studien berichtet über bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung von Katalysatoren auf Iridiumbasis für die Produktion von grünem Wasserstoff, einschließlich der Verwendung neuer Synthesemethoden und der Optimierung von Katalysatorstrukturen und -zusammensetzungen.

Es gibt jedoch noch einige Forschungsherausforderungen, die angegangen werden müssen, um das Potenzial von Katalysatoren auf Iridiumbasis für die Produktion von grünem Wasserstoff voll auszuschöpfen. Eine große Herausforderung sind die hohen Kosten für Iridium – und genau diese hohen Kosten sollten neue Katalysatoren vermeiden.

„Um dies zu überwinden, erforschen Forscher neue Synthesemethoden und alternative Katalysatormaterialien, die Iridium ersetzen oder die erforderliche Menge an Iridium reduzieren können“, sagte Chunyun Wang von der School of Chemistry and Chemical Engineering der Yangzhou University und Hauptautor der Übersicht. „In letzter Zeit sind einige neuartige und effektive Optionen aufgetaucht, wie Iridiumoxide, Perowskite, Pyrochlore und Einzelatomkatalysatoren.“

„Deshalb hielten wir es für an der Zeit, innezuhalten und den Stand der Dinge bei Iridium-basierten Katalysatoren für die Produktion von grünem Wasserstoff mit einem Übersichtsartikel zu bewerten“, fügte Alex Schechter, Chemiker an der Ariel-Universität in Israel und Mitautor des Übersichtsarbeit. „Der Vorteil besteht darin, Informationen über viele verschiedene Forscherteams hinweg zu bündeln und vor allem Forschungslücken zu identifizieren.“

Der Aufsatz konzentriert sich insbesondere auf die Funktionsweise der Katalyse (den katalytischen Mechanismus), das Design von Katalysatoren und Strategien für die Synthese von Katalysatoren. Insbesondere untersucht die Analyse verschiedene Attribute von Katalysatoren, die sich auf ihre Förderung des Katalyseprozesses auswirken, einschließlich geometrischer Effekte, elektronischer Effekte, synergistischer Effekte, Defekt-Engineering und Unterstützungseffekte, und wie verschiedene Forschungsteams mit jeder Option umgegangen sind, um zu versuchen, die Leistung zu verbessern .

Geometrische Effekte beschreiben im Wesentlichen die Form, Struktur und Größe des Katalysatormoleküls, einschließlich dessen, welche seiner Kristallebenen exponiert sind und wie atomare Anordnungen geordnet oder ungeordnet sein können. All dies beeinflusst die Katalysatorleistung erheblich. Elektronische Effekte beziehen sich auf die Struktur von Elektronen, die mit den relevanten Molekülen verbunden sind.

Synergistische Effekte sind solche, bei denen zwei oder mehr Inhaltsstoffe zusammenkommen, um ein besseres Ergebnis zu erzielen als jeder für sich allein. Defekt-Engineering beinhaltet Bemühungen, die Oberflächenchemie von Katalysatoren über Hohlräume, Versetzungen, Leerstellen usw. zu gestalten – durch bewusstes Einbringen von Unvollkommenheiten – um die Anzahl der Orte zu erhöhen, an denen die chemische Reaktion stattfinden kann (aktive Stellen). Und Stützeffekte kommen von Metallen, die mit dem Katalysator interagieren und ihn stützen.

Die Gutachter kamen nach einer Untersuchung ihres Fachgebiets zu dem Schluss, dass die erfolgreichste Strategie zur Verbesserung der Leistung von Katalysatoren auf Iridiumbasis das Defekt-Engineering, das Anpassen synergistischer Effekte und das Ändern geometrischer Effekte umfasst. Die Zahl der exponierten aktiven Stellen kann erhöht werden, indem eine poröse Struktur aufgebaut und Träger für den Katalysator eingeführt werden, die sowohl den Massen- als auch den Elektronentransfer fördern. Und eine verbesserte Metall-Träger-Wechselwirkung kann die Langzeitstabilität der Katalysatoren erhöhen.

Trotz der beachtlichen Forschungserfolge steht das Feld noch immer vor Herausforderungen. Viele Hochleistungskatalysatoren auf Iridiumbasis wurden entwickelt, aber die meisten von ihnen können nur in einem kleinen Maßstab von nur wenigen Gramm oder sogar Hunderten von Milligramm im Labor synthetisiert werden. Komplexe Herstellungsprozesse müssen also vereinfacht werden.

Darüber hinaus sind die Laborbedingungen im Vergleich zu tatsächlichen katalytischen Systemen etwas zu ideal, und daher müssen reale Bedingungen Teil jeder Folgeforschung sein. Dazu gehört unter anderem die Betrachtung der realistischen Elektrolyseurtemperatur, Stromdichte und Produktabgabe, die eine Bewertung der Leistungskatalysatoren in praktischen Anwendungen ermöglichen wird.

Und über die Katalysatoren selbst hinaus müssen auch andere Komponenten optimiert werden, einschließlich der Entwicklung von Elektrodenplatten mit hoher Korrosionsbeständigkeit und niedrigen Kosten, Protonenaustauschmembranen mit hoher Protonentransportkapazität.

Die Gutachter betonten jedoch, dass keine dieser Herausforderungen ein Ausschlusskriterium für Iridium-basierte Katalysatoren für die Produktion von grünem Wasserstoff sind. Stattdessen stellen diese mögliche Wege für neue Forschungen dar, die die Durchbrüche liefern können, die dieses Verfahren erfordert, um eine kommerzielle Realisierbarkeit zu erreichen.