Unter der Leitung von Prof. Dr. Francesco Ciucci von der Universität Bayreuth hat ein deutsch-chinesisches Forscherteam eine neue Methode zur elektrochemischen Spaltung von Wasser entwickelt. Dies beschleunigt nicht nur die Produktion von Wasserstoff für Technologie und Industrie, sondern macht sie auch nachhaltiger. Die Forscher veröffentlicht ihre Erkenntnisse in Natur-Nanotechnologie.
Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften ist Wasserstoff für Technik und Industrie von entscheidender Bedeutung: Es ist das leichteste chemische Element, hat eine extrem hohe Energiedichte und ist ein emissionsfreier Kraftstoff, da bei seiner Verbrennung als einziges Nebenprodukt Wasser entsteht. Dies macht Wasserstoff zu einer äußerst attraktiven sauberen Energiequelle. Allerdings ist seine Herstellung noch immer äußerst energieintensiv.
Wasserstoff kann durch elektrochemische Wasserspaltung hergestellt werden, bei der Elektroden im Wasser mit elektrischem Strom beaufschlagt werden. Eine energieeffiziente und nachhaltige Wasserstoffproduktion durch elektrochemische Wasserspaltung mit erneuerbarem Strom könnte die Nachhaltigkeit dieser Energiequelle deutlich verbessern.
Eine der größten Herausforderungen bei der elektrochemischen Wasserspaltung ist die sogenannte Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER), eine langsame Reaktion, bei der Wassermoleküle in ihre einzelnen Bestandteile – Sauerstoff und Wasserstoff – zerlegt werden. Die OER kann durch den Einsatz von Edelmetallkatalysatoren beschleunigt werden; Allerdings sind diese Metalle teuer und knapp, und die Beschleunigung der Reaktion erfordert zusätzliche Energie (bekannt als Überpotential).
Dieser Herausforderung hat sich ein Forschungsteam angenommen, das aus Mitgliedern verschiedener chinesischer Forschungseinrichtungen besteht und von Prof. Dr. Ciucci, Lehrstuhlinhaber für Elektrodendesign für elektrochemische Energiesysteme an der Universität Bayreuth, geleitet wird. Sie entwickelten eine innovative Methode zur elektrochemischen Wasserspaltung.
Dieser Ansatz nutzt atomar dispergiertes Iridium als Reaktionsbeschleuniger und koppelt es mit Dimethylimidazol und Kobalt-Eisen-Hydroxid. Die wichtigste Innovation liegt in der geometrischen Anordnung dieser Komponenten, die außerhalb der Ebene ausgerichtet sind und so Leistung und Effizienz optimieren.
Dieser innovative Ansatz steigert die OER-Aktivität erheblich und weist zudem ein äußerst geringes Überpotential auf. Darüber hinaus wird der Einsatz von Edelmetallen reduziert, da nur einzelne Iridiumatome verwendet werden, und es wirkt sich positiv auf die Stabilität der Beschleunigungsreaktion aus.
„Unsere Studie stellt einen bedeutenden Fortschritt bei der Entwicklung einer effizienten, kostengünstigen OER-Beschleunigung für eine nachhaltige Wasserstoffproduktion dar. Durch die Bewältigung der zentralen Herausforderung der aktuellen Technologie haben unsere Ergebnisse das Potenzial, den globalen Übergang zu sauberen Energielösungen voranzutreiben“, sagt Ciucci, der leitende Autor der Studie.
Weitere Informationen:
Jie Zhao et al., Out-of-plane-Koordination von Iridium-Einzelatomen mit organischen Molekülen und Kobalt-Eisen-Hydroxiden zur Steigerung der Sauerstoffentwicklungsreaktion, Natur-Nanotechnologie (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01807-x