Ein neuer Legierungs-Katalysator reduziert den Einsatz von Edelmetallen in der Produktion von grünem Wasserstoff und erreicht eine Betriebsstabilität von 300 Stunden.

Forscher in Braga, Portugal, haben einen neuartigen Katalysator entwickelt, der die Menge an Edelmetallen, die für die Produktion von grünem Wasserstoff benötigt wird, möglicherweise verringern kann. Die Leistung des Materials übertrifft die kommerziellen Benchmarks, obwohl der Edelmetallgehalt nur die Hälfte des Benchmarks beträgt. Das Team des International Iberian Nanotechnology Laboratory (INL) hat Platin, Nickel und Ruthenium zu einer Legierung synthetisiert, die speziell für die Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse (PEMWE) entwickelt wurde. Der Forschungsbericht weist darauf hin, dass die stabilen Betriebszeiten der Einheit bei 60 °C (140°F) über 300 Stunden betragen. Diese Entdeckung löst eine Herausforderung der Elektrolysezellen, nämlich die Abhängigkeit von teuren Materialien bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Leistung.

Leistung des Katalysators übertrifft Benchmarks

PEMWE nutzt elektrische Energie, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Angetrieben durch erneuerbare Energien bietet dies einen Weg zur Produktion von grünem Wasserstoff. Allerdings hängt die Wasserstofferzeugungsreaktion an der Kathode weitgehend von den knappen Platinmetallen ab. Das Forschungsteam von INL unter der Leitung von Kolen’ko verwendete einen kontinuierlichen Flussreaktor zur Herstellung von Nanopartikeln der mittleren Entropie-Legierung aus Platin-Nickel-Ruthenium. Diese Partikel haben einen Durchmesser von nur 1,5 Nanometern und sind gleichmäßig auf defizitär angereichertem Graphen fixiert. Der Edelmetallgehalt des Katalysators beträgt 20,5 %, was im Vergleich zu einem Platinanteil von 40 % beim kommerziellen Benchmark einen signifikanten Vorteil zeigt.

Obwohl der Edelmetallgehalt niedriger ist, übertrifft die Leistung des Katalysators in mehreren Messungen dennoch die Benchmarks.

In einem einzelnen PEMWE-Gerät erreichte der Katalysator bei 1,6 Volt eine Stromdichte von 1,0 Ampere pro Quadratzentimeter. Das Betriebsverhalten des Katalysators ist entscheidend für seine Leistung. Zunächst bedecken Nickeloxidarten die Oberfläche der Partikel. Nach der Kathodenpolarisation werden diese Oxide reduziert, wodurch die Oberfläche der Metalllegierung freigelegt wird. Der Korrespondierende Autor der Studie, Sitaramanjaneya Mouli Thalluri, erklärte: „Der Katalysator hat sich nicht abgebaut, sondern aktiviert, was gegen die Intuition spricht und genau die Eigenschaften sind, die für einen langfristigen Betrieb erforderlich sind.“ Die synchronisierte Röntgenabsorptionsspektroskopie bestätigte, dass die Oberflächenrekonstruktion elektrochemisch getrieben ist.

Bei 60 °C (140°F), einer typischen industriellen Betriebstemperatur, hielt die Einheit über 300 Stunden eine stabile Spannung aufrecht. Im Gegensatz dazu zeigte der kommerzielle Benchmark während des Tests kontinuierlich eine Leistungsminderung.

Potenzial des Produktionsprozesses der Legierung

Diese Ergebnisse zeigen, dass die Oberflächenveränderungen der Legierung eine kontinuierliche Aktivität unterstützen können und die Herausforderung lösen, die katalytische Leistung zu erhöhen, ohne die Stabilität zu kompromittieren. Die Forscher hoben auch das Potenzial des Produktionsprozesses hervor. Es ist eine Herausforderung, Metalle mit signifikant unterschiedlichen Reduktionspotentialen zu kombinieren, da ihre Bildung koordiniert werden muss, um die gewünschte Legierung zu erzeugen. Der gemeinsame Korrespondierende Autor Srinivas Katam sagte: „Die kontinuierliche Flusssynthese ist hier ein Game Changer.“ Das Team stellte fest, dass der Reaktor die Keimbildung der Metalle synchronisiert und einen Weg für die großtechnische Produktion bietet.

Dr. Yury V. Kolen’ko, Leiter des Kolen’ko-Forschungsteams am INL, erklärte: „Diese Arbeit beweist, dass mittlere Entropie-Legierungen bei der Produktion durch kontinuierliche Flusssynthese die traditionelle Abwägung zwischen Aktivität und Stabilität überwinden können.“ Die Forscher sehen auch potenzielle Anwendungen dieser Technologie über die Wasserstoffproduktion hinaus, einschließlich anderer elektrochemischer Energiewandlungstechnologien. Die Studie wurde im Rahmen des portugiesischen Programms für Wiederbelebung und Resilienz (PRR) mit Mitteln aus dem nächsten EU-Rahmen durch das Innovationsprogramm Moving2Neutrality gefördert.

Die Ergebnisse der Einzelzelle legen den Grundstein für die weitere Entwicklung großer Elektrolyseanlagensysteme, wobei die Reduzierung des Edelmetallbedarfs und die Aufrechterhaltung der Langlebigkeit nach wie vor Schlüsselziele sind. Die Studie wurde im Journal of Chemical Engineering veröffentlicht.

Einfluss des neuartigen Katalysators auf die Produktion von grünem Wasserstoff

Mit der steigenden Nachfrage nach erneuerbaren Energien wird die Produktion von grünem Wasserstoff zu einem wichtigen Forschungsbereich. Die Entwicklung dieses neuartigen Katalysators reduziert nicht nur die Abhängigkeit von knappen Edelmetallen, sondern erreicht auch neue Höhen in Bezug auf Stabilität und Leistung. Dies hat erhebliche Bedeutung für die zukünftige großtechnische Produktion von grünem Wasserstoff, da es die Produktionskosten senken und die Effizienz steigern kann. Darüber hinaus könnte die potenzielle Anwendung dieser Technologie auch auf andere elektrochemische Energiewandlungstechnologien ausgeweitet werden, was die Entwicklung nachhaltiger Energien weiter vorantreibt.