Grüner Wasserstoff könnte ein Schlüssel zur Energiewende sein. Doch bisher bremsen teure Edelmetalle wie Platin die Produktion im großen Maßstab. Forscher der Washington University in St. Louis haben jetzt einen Katalysator entwickelt, der komplett auf Platingruppenmetalle verzichtet und trotzdem leistungsfähiger ist. Im Test lief das System über 1.000 Stunden stabil.
Wasserstoff gilt als vielversprechender und sauberer Brennstoff. Er kann erneuerbare Energie speichern und verursacht bei seiner Nutzung keine schädlichen Kohlenstoffemissionen. Bisherige Anlagen zur Wasserstoffgewinnung verlassen sich jedoch größtenteils auf seltene und teure Metalle der Platingruppe. Die Suche nach günstigeren Alternativen gilt deshalb als wichtiger Schritt, um erneuerbare Energiespeicher im großen Maßstab praktikabel zu machen.
Neuer Wasserstoff-Katalysator: Wie zwei günstige Materialien Platin ersetzen
Ein Forscherteam der Washington University in St. Louis hat nun eine Lösung präsentiert. Unter der Leitung von Professor Gang Wu entwickelten die Wissenschaftler einen neuartigen Heterostruktur-Katalysator. Das System nutzt erneuerbaren Strom, um in einem Elektrolyseur Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Der Katalysator verzichtet dabei auf platinbasierte Materialien und senkt so potenziell die Produktionskosten.
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Die Forscher kombinierten Rheniumphosphid mit Molybdänphosphid zu einem neuen Verbundkatalysator. Die beiden Bestandteile arbeiten dabei eng zusammen, um die Gewinnung des Gases zu verbessern. Rhenium unterstützt die Anlagerung und Freisetzung des Wasserstoffs, während Molybdän die Aufspaltung des Wassers beschleunigt. Durch diese Materialwahl wird der Prozess in der alkalischen Elektrolytlösung unterstützt und mit Protonen versorgt.
Über 1.000 Stunden stabil: Was der Katalysator in Tests leistete
In Kombination mit einer Nickel-Eisen-Anode übertraf der Katalysator herkömmliche Materialien sowie den Vergleichswert für Platinmetalle. Die Wissenschaftler zeigten zudem, dass das System bei industriellen Stromdichten von ein bis zwei Ampere pro Quadratzentimeter funktionierte. Es lief dabei für mehr als tausend Stunden durchgehend stabil. Damit gilt die Entwicklung als eine der langlebigsten platinfreien Kathoden für Anionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseure.
Die Technologie verspricht einen praktischen Nutzen, da sie Elektrizität aus Sonnenlicht, Wind oder Wasser speicherbar machen kann. Der produzierte Wasserstoff ließe sich als Energieträger für verschiedene chemische Industrien und die Fertigung nutzen. Die bisherigen Experimente fanden im Labormaßstab statt, weshalb das Team nun Studien im industriellen Maßstab plant. Professor Gang Wu dazu:
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Unsere Erkenntnisse ermöglichten es uns, die entscheidende Rolle des Wasserstoffbrücken-Netzwerks an der Grenzfläche zwischen Katalysator und Elektrolyt zu rationalisieren. Unser Katalysator zeigte den geringsten Widerstand, was auf die schnellste Wasserstoffaufnahme unter den untersuchten Materialien hindeutet. Diese Leistungswerte machen ihn zu einer der vielversprechendsten Baugruppen für praktische Wasserelektrolyseure.
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