Nachhaltigem Wasserstoff mit vielversprechendem neuen Katalysator näherkommen
Der zukünftige Energiebedarf könnte durchaus auf Basis von Wasserstoff als Energieträger gedeckt werden. Mögliche Anwendungen betreffen Fahrzeuge wie Autos, Boote und Züge ebenso wie Haushalte und industrielle Prozesse. Wird Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen erzeugt, so ist er ein umweltfreundlicher Brennstoff: Bei seiner Umwandlung in einer Brennstoffzelle entsteht nichts als reines Wasser. Sonnenenergie kann in Form von Wasserstoff-Brennstoff gespeichert werden, indem Wasser in einem Elektrolyseprozess in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Für die Sauerstoffentwicklungsreaktion, die Schlüsselreaktion dieses Prozesses, sind Katalysatoren erforderlich. Um solaren Wasserstoff großtechnisch zu erzeugen, müssen effiziente und robuste Katalysatoren entwickelt werden, die auf kostengünstigen Materialien basieren.
Zehnfache Leistungssteigerung
Das durch den Europäischen Forschungsrat (ERC) finanzierte Projekt FANOEC (Fundamentals and Applications of Inorganic Oxygen Evolution Catalysts) hat neue Perspektiven auf diesem Gebiet eröffnet, denn es hat einen Katalysator erfunden, der tatsächlich alle Kriterien erfüllt. „Wir haben einen bifunktionellen Eisen-Nickel-Katalysator gefunden, der vergleichbare Katalysatoren um etwa das Zehnfache übertrifft“, erklärt FANOEC-Hauptforscher Xile Hu, Professor für Chemie an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne. Der neu entdeckte Katalysator kann problemlos zusammengestellt werden und weist eine hohe Langzeitstabilität auf. Sein bifunktioneller Mechanismus, der zwei kooperative aktive Stellen beinhaltet, erhöht die Aktivität des Katalysators und verbessert auf diese Weise seinen Gesamtwirkungsgrad.
Wissen, das in die Tiefe geht
Während das Potenzial der Metalloxide als Katalysatoren der Sauerstoffentwicklungsreaktion seit längerem bekannt ist, wussten wir jedoch nur wenig darüber, wie das Ganze genau funktioniert. Dem Forschungsteam von FANOEC ist es nun gelungen, zu einem tiefgreifenden Verständnis der Sauerstoffentwicklungsreaktion mit Metalloxiden auf molekularer Ebene zu gelangen und auf dieser Grundlage bessere Katalysatoren zu entwickeln: „Das Projekt hat einige der besten Katalysatoren geliefert, die in zukünftigen Anlagen eingesetzt werden könnten“, erläutert Hu. Um dieses Ziel zu erreichen, entwickelte das Team mehrere neue Werkzeuge, die dem besseren Verständnis der molekulare Funktionsweise von Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion dienten. Auf der Basis dieser Erkenntnisse wurden neue Syntheseverfahren vorgestellt und zentrale Designprinzipien für effiziente Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion beschrieben.
Anlagen der nächsten Generation in Sicht
Diese Ergebnisse weisen den Weg, wie Elektrolyseure optimiert und im Endeffekt an die großtechnische Entwicklung angepasst werden können. Diese wasserspaltenden Anlagen seien gegenwärtig noch zu kostspielig und nur schwierig skalierbar, betont Hu. Das Projekt hätte jedoch einen wichtigen Beitrag zur Überwindung dieser Hürden geleistet, denn „es liefert Wissen und sogar einen Katalysatorkandidaten, der für den Einsatz in den Elektrolyseuren der nächsten Generation geeignet ist.“ Gemeinsam mit seinem Team sucht er nun nach neuen Möglichkeiten, um Katalysatoren in Elektrolyseure zu integrieren und effizientere Anlagen zu entwickeln. Bis zur Markteinführung des nachhaltigen, grünen Wasserstoffs gäbe es jedoch noch viel zu tun, so Hu: „Um die CO2-neutrale Erzeugung von Wasserstoff in großem Maßstab Realität werden zu lassen, sind weitere Systemoptimierungen und viel Forschung sowie Kooperationen zwischen Wissenschaft und Industrie erforderlich.“
Schlüsselbegriffe
FANOEC, Wasserstoffbrennstoff, oxygen evolution reaction, OER, Sauerstoffentwicklungsreaktion, Katalysator, Metalloxid, Solarenergie, Sonnenenergie, Elektrolyseur
