Nanostrukturtechnik bietet Antrieb für Wasserstoffenergie
Wasserstoff ist eine vielversprechende saubere Energiequelle. Er wird am besten durch die elektrolytische Wasserspaltung erzeugt, bei der Wasser durch Elektrizität in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Wird dieser Prozess durch erneuerbare Energien angetrieben, kann Wasserstoff CO2-neutral erzeugt werden – der sogenannte „grüne Wasserstoff“. Elektrokatalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion sind Materialien, die diese Reaktion fördern, und somit grundlegend für diesen Prozess. Aufgrund seiner hohen katalytischen Aktivität ist Platin der beliebteste und bekannteste dieser Elektrokatalysatoren. Doch Platin ist teuer und selten und stellt somit eine Einschränkung der industriellen Anwendung dar. Das Projekt HyCat hat mit Unterstützung des Europäischen Forschungsrats eine innovative Nanostruktur entwickelt, mit der die erforderliche Platinmenge für die Reaktion verringert und somit die Kosten gesenkt werden sollen. „Das wichtigste Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines neuen und leistungsfähigen Elektrokatalysators, um Wasserstoff durch die elektrochemische Wasserspaltungsreaktion zu erzeugen“, erklärt Liberato Manna, ein leitender Forscher am italienischen Institut für Technologie und Projektkoordinator für HyCat.
Aufbau eines Elektrokatalysesystems mit Nanostrukturen
Zur Fertigung des neuen Elektrokatalysators wird zunächst ein Stromabnehmer aus Titan in ein chemisches Bad aus Kupfer und anderen Reagenzstoffen eingetaucht. So sammelt sich Kupferoxid in vertikal ausgerichteten Nanoplättchen auf der Titanoberfläche. Diese Nanoplättchen – im Kern „Kupferrost“, so Manna – werden in elektrisch hochleitfähiges metallisches Kupfer umgewandelt, indem die Spannung am Stromabnehmer reduziert wird. Zum Schluss wird bei noch immer verringerter Spannung eine Lösung mit Platinsalz hinzugefügt, welches die Kupfernanostrukturen mit Platinnanopartikeln verkleidet. „Aus diesem komplexen Verfahren entsteht eine Kathode mit mechanischer und chemischer Stabilität. Außerdem ermöglicht es die optische Verteilung von Platinnanopartikeln“, erklärt Manna. „Das maximiert den Bereich und minimiert so die Abnutzung und Gesamtkosten der Technologie“, führt er weiter aus.
Versuche mit dem neuen Elektrokatalysator
Im Rahmen des Projekts hat das HyCat-Team Hunderte Experimente durchgeführt, um die optimale Lösung für verschiedene Parameter zu bestimmen. Das teure Platin könnte durch das weitaus günstigere Ruthenium (ein weiteres Metall der Platingruppe) zu einem Drittel der Kosten ausgetauscht werden. Die durchschnittliche Menge Ruthenium auf der Elektrode lag bei 53 μg/cm2, also 10-Mal weniger als die Platinmenge in anderen modernen Elektrolyseuren. „Die Leistung unserer optimierten Kathode ist wettbewerbsfähig“, meint Manna. „Bei Einzelzell-Zusammensetzung übertrifft unsere Technologie den aktuellen Standard“, fügt er hinzu. Bei Anwendung in einer 1-MW-Wasserstoffanlage erzeugt das System Produktionskosten von etwa 2,26 USD pro Kilogramm Wasserstoff – das entspricht den Zielkosten für grünen Wasserstoff, die von der Europäischen Kommission für 2030 auf unter 2,50 USD pro Kilogramm festgelegt wurden.
Ausbau der Technologie
Im nächsten Schritt will das Projekt nun die Teilchengröße der Elektrode auf etwa 100 cm2 ausweiten. Bei dieser Größe wird der Elektrolyseur praktisch einsetzbar bei der Wasserstofferzeugung vor Ort und erreicht eine Stromerzeugung im kW-Bereich. Mit einem 2,5-kW-Elektrolyseur könnte zum Beispiel täglich etwa 1 kg Wasserstoff erzeugt werden. Das reicht zur Versorgung eines Hauses. „Mit einer weiteren Studie auf der Grundlage der Leistungsdaten zu diesem Elektrolyseur soll eine umfassende Perspektive zum Aufbau von Wasserstoffanlagen im MW-Bereich mit unseren Elektrokatalysatoren zur Massenproduktion aufgestellt werden“, so Manna.
Schlüsselbegriffe
HyCat, Nanostruktur, Kupfer, Platin, Kathode, Wasserstoff, Wasserstoff, Aufspaltung, grün, Energie
