Die Produktion von grünem Wasserstoff ist derzeit noch kostspielig – vor allem durch den Einsatz des seltenen Metalls Iridium. Forscher haben nun aber einen Iridium-Ersatz für die Katalyse gefunden, was künftig eine günstigere Produktion von grünem Wasserstoff ermöglichen kann.
Deutschland hat ambitionierte Ziele in Sachen Energiewende. Auch grüner Wasserstoff spielt dabei eine entscheidende Rolle, denn er kann maßgeblich zur Dekarbonisierung wichtige Bereiche beitragen.
Bis zum Jahr 2030 sollen laut der Nationalen Wasserstoffstrategie in Deutschland insgesamt zehn Gigawatt Elektrolyse-Kapazitäten zur Herstellung von grünem Wasserstoff entstehen. Zum Vergleich: Schätzungen zufolge gibt es weltweit derzeit Kapazitäten in Höhe von nur 5,2 Gigawatt.
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Doch bisher ist die Katalyse von Wasserstoff kostspielig, unter anderem durch den Einsatz des seltenen Metalls Iridium. Forscher der Northwestern University haben nun aber einen Weg gefunden, dieses Metall zu ersetzen und so die Produktionskosten von grünem Wasserstoff deutlich zu senken.
Grüner Wasserstoff ohne Iridium
Iridium ist eines der seltensten Metalle der Welt und sogar wertvoller als Gold. Denn es kann nicht direkt abgebaut werden, sondern fällt meist nur als Nebenprodukt beim Abbau von Platin an.
Derzeit wird es allerdings bei der Herstellung von grünem Wasserstoff über Elektrolyse eingesetzt. Bei diesem Prozess wird Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten. Iridium kommt dabei als Katalysator zum Einsatz, weil es besonders stabil und leistungsfähig ist.
Doch eine Unze Iridium kostet rund 5.000 US-Dollar und auch der Vorrat ist begrenzt. „Es gibt nicht genug Iridium auf der Welt, um unseren prognostizierten Bedarf zu decken“, erklärt Ted Sargent, Wissenschaftler an der Northwestern University. „Wenn wir darüber nachdenken, Wasser zu spalten, um alternative Energieformen zu erzeugen, gibt es aus rein versorgungstechnischer Sicht nicht genug Iridium.“
Seit Jahrzehnten sind Forscher weltweit deshalb auf der suche nach Iridium-Alternativen. Den Forschern der Northwestern University ist dabei nun ein Durchbruch gelungen.
Zum Einsatz kam die sogenannte Megabibliothek der Universität. Diese enthält Millionen einzigartig gestalteter Nanopartikel auf einem winzigen Chip, wodurch eine Vielzahl von Materialkombinationen in kürzester Zeit getestet werden kann. „Wir haben das wohl leistungsfähigste Synthesewerkzeug der Welt entwickelt, mit dem Chemiker und Materialwissenschaftler die enorme Anzahl verfügbarer Kombinationen durchsuchen können, um wichtige Materialien zu finden“, erklärt Professor Chad A. Mirkin, Hauptautor der Studie, die Megabibliothek.
Neues Material kann Iridium in der Wasserstoff-Elektrolyse ersetzen
Für ihre Untersuchung haben die Forscher vier auf der Erde reichlich vorhandene sowie kostengünstige Metalle getestet, die auch für ihre katalytische Leistung bekannt sind. Mithilfe der Megabibliothek konnten 156 Millionen Partikel, die jeweils aus unterschiedlichen Kombinationen von Ruthenium, Kobalt, Mangan und Chrom bestanden getestet werden.
Zum ersten Mal konnten wir nicht nur Katalysatoren schnell screenen, sondern auch feststellen, dass die besten Katalysatoren in einem vergrößerten Maßstab gut funktionieren.
Dabei konnten die Wissenschaftler eine neue Kombination aller vier Metalle ermitteln. Das Ergebnis heißt Ru52Co33Mn9Cr6-Oxid und „hat tatsächlich eine etwas höhere Aktivität als Iridium und eine ausgezeichnete Stabilität“, so Mirkin. „Das ist selten, da Ruthenium oft weniger stabil ist. Aber die anderen Elemente in der Zusammensetzung stabilisieren Ruthenium.“
Mirkin will nun die Materialforschung mit der Megabibliothek weiter ausdehnen. „Wir werden nach allen möglichen Materialien für Batterien, Fusion und mehr suchen“, erklärt der Wissenschaftler.
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