Es wurde eine Technologie entwickelt, die die Einschränkungen der derzeitigen Katalysatorelektroden überwindet und die Produktion von grünem Wasserstoff in großem Maßstab und zu relativ geringen Kosten ermöglicht. Die Entwicklung ist gemeldet im Zeitschrift der American Chemical Society.
Unter der Leitung von Professor Han Gi Chae vom Department für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik und Professor Jong-Beom Baek von der Fakultät für Energie- und Chemieingenieurwesen der UNIST arbeitete das Team mit Professor Kafer T. Tavuz von der König-Abdullah-Universität für Wissenschaft und Technologie (KAUST) zusammen, um Kohlenstoffgewebe-Elektrokatalysatoren zu entwickeln, in die mithilfe eines herkömmlichen Kohlenstofffaser-/Gewebe-Herstellungsverfahrens hochfunktionelle Katalysatoren eingebettet sind.
Dieses innovative Design ermöglicht einen stabilen Betrieb über große Flächen durch die Verwendung eines Kohlenstofffaserkatalysators im Gegensatz zu einem Pulverkatalysator, der anfällig für Ablösungen ist. Besonders hervorzuheben ist, dass diese fortschrittliche Elektrode eine 100-mal längere Lebensdauer als herkömmliche Elektroden aufweist und gleichzeitig durch die Verwendung von Ruthenium anstelle des teureren Platins eine optimale Leistung beibehält, was zu deutlich geringeren Herstellungskosten führt.
Traditionell wurden elektrochemische Elektroden hergestellt, indem ein Pulverkatalysator wie Kohlenstoffpulver zur Fixierung auf die Elektrode gesprüht wurde. Diese Methode war jedoch mit Problemen verbunden, da das Pulver ungleichmäßig aufgetragen wurde, was zu Problemen wie Verklumpen oder Ablösen des Pulvers führte. Im Gegensatz dazu gewinnen elektrochemische Elektroden auf Kohlenstofffaserbasis aufgrund ihrer hohen thermischen und elektrischen Leitfähigkeit sowie ihrer einfachen Anwendung auf großen Flächen zunehmend an Aufmerksamkeit.
Das Forschungsteam ging noch einen Schritt weiter und integrierte während des Herstellungsprozesses Ruthenium (Ru) in die Polymervorläuferfaser, wodurch die Katalysatorstabilität verbessert wurde. Durch die Verwendung von Polyacrylnitril (PAN) als Vorläuferpolymer konnte das Team die Eigenschaften des Katalysators effektiv und stabil zum Ausdruck bringen. Darüber hinaus wurde Ruthenium anstelle von Platin selektiv als chemischer Katalysator an der Oberfläche befestigt.
Ihre in Ruthenium-Oberflächen eingebetteten Gewebeelektrokatalysatoren (Ru-SFECs) zeigten eine niedrige Überspannung von 11,9 mV bei einer Stromdichte von 10 mA cm–2, was auf einen geringen Energieverbrauch während des Wasserstofferzeugungsprozesses hindeutet. Die entwickelte Elektrode zeigte selbst nach 10.000 Operationen einen vernachlässigbaren Überspannungsanstieg von 6,5 %, eine bemerkenswerte Verbesserung gegenüber handelsüblichen Platinpulverkatalysatoren.
Die neue Kohlenstofffaserelektrode mit einem funktionalen Katalysator wurde so konzipiert, dass sie im Vergleich zu herkömmlichen Elektroden, die auf teuren Katalysatoren auf Platinbasis basieren, einen erheblichen Kostenvorteil bietet. Durch die Verwendung von Ruthenium anstelle von Platin und dessen Einarbeitung in die Polymervorläuferfaser zu Beginn des Herstellungsprozesses konnte das Team Ru-SFECs mit einem geringen Überspannungspotential von 11,9 mV bei einer Stromdichte von 10 mA cm–2 herstellen, die eine bemerkenswerte Stabilität und Effizienz aufweisen.
Der innovative Ansatz des Teams nutzt die außergewöhnlichen mechanischen und elektrischen Eigenschaften von Kohlenstofffasern und zeigt ihr Potenzial als vielseitiges Material für zukünftige elektrochemische Reaktionen. Durch sorgfältige Kontrolle der Katalysatormetalltrennung und der Mikrokohlenstoffstruktur erreichten die Forscher maximale Stabilität und Aktivität und ermöglichten so die kontinuierliche Produktion von Katalysatorfasern für direkte industrielle Anwendungen.
„Diese Studie legt den Grundstein für die Entwicklung stabiler, bindemittelfreier und flexibler elektrokatalytischer Elektroden“, erklärte Professor Chae. „Darüber hinaus bietet diese Technik Potenzial für andere katalytische Reaktionen mit verschiedenen Metallen. Zukünftige Forschung sollte sich auf die Verbesserung der mechanischen Haltbarkeit, der elektrischen Leitfähigkeit und der Kosteneffizienz konzentrieren.“
Diese Elektrode ermöglicht nicht nur energieeffiziente Herstellungsverfahren, sondern reduziert auch die Abfallproduktion. Das Forschungsteam konnte seine Erkenntnisse erfolgreich anhand des in der Kohlefaserindustrie verwendeten kommerziellen Herstellungsverfahrens validieren.
Die in dieser Studie erreichte kontinuierliche Produktion von katalysatorgestützten Kohlenstofffasern auf einer Semi-Pilotlinie stellt einen technologischen Reifegrad dar, der für die Umsetzung in der Praxis geeignet ist. „Der flexible Faserformfaktor dieser Studie erleichtert unmittelbare Anwendungen als elektrochemischer, thermochemischer oder Photokatalysator“, bemerkte Forschungsprofessor Seok-Jin Kim von KAUST, Co-Erstautor der Studie.
Mehr Informationen:
Seok-Jin Kim et al., Skalierbares Design von Ru-eingebettetem Kohlenstoffgewebe unter Verwendung konventioneller Kohlenstofffaserverarbeitung für robuste Elektrokatalysatoren, Zeitschrift der American Chemical Society (2024). DOI: 10.1021/jacs.4c00332