- Südkoreanische Wissenschaftler entwickeln platinfreie Nickel-Kobalt-Elektroden zur Steigerung der Effizienz der grünen Wasserstoffproduktion.
- Die neue Elektrode zeigt in der alkalischen Wasserelektrolyse eine weltklasse Leistung und Haltbarkeit.
- Die Technologie erzielt Wasserstoffproduktion unter Überpotential und zeigt herausragende Leistung.
- Die zukünftigen Elektroden könnten in Kombination mit Solar- und Windkraftanlagen betrieben werden.
Südkoreanische Wissenschaftler haben eine neuartige, extrem kostengünstige Komponente entwickelt, um aus Wasser und Strom grünen Wasserstoff zu erzeugen. Das Korea Institute of Energy Research (KIER) hat eine platinfreie Nickel-Kobalt-Elektrode entwickelt, die effektiv die alkalische Wasserelektrolyse durchführt. Diese nicht-edelmetallische Ni/Co-Heterostrukturelektrode verbessert die Leistung der alkalischen Wasserelektrolyse und senkt die Kosten. Dieser Fortschritt hat das Potenzial, ein wesentliches wirtschaftliches Hindernis für die globale Expansion erneuerbarer Energien zu beseitigen. Dr. Kang Kyung-Soo, leitender Forscher bei KIER, erklärte: „Diese Studie beweist, dass nicht-edelmetallische Elektroden in der alkalischen Wasserelektrolyse weltklasse Leistung und Haltbarkeit erreichen können.“
Der Schlüssel zur Senkung der Wasserstoffkosten liegt in der Einfachheit der Wasserelektrolyse. Durch das Anlegen von Strom an Wasser werden Wassermoleküle gespalten und reiner Wasserstoff gewonnen, was zu null Kohlenstoffemissionen führt. In der Praxis ist jedoch, insbesondere in großtechnischen alkalischen Systemen, die Reaktionsgeschwindigkeit relativ langsam. Unter alkalischen Bedingungen benötigt die Spaltung von Wassermolekülen mehr als 100-mal so viel Zeit wie in sauren Umgebungen. Um die Reaktion zu beschleunigen, verwenden industrielle Elektrolyseure in der Regel Edelmetalle. Der Preis für Platin liegt bei etwa US$58 pro Gramm (ca. HK$452), während Ruthenium bei etwa US$54 pro Gramm (ca. HK$421) kostet. Angesichts der Größe der Anlagen wird die großtechnische Produktion wirtschaftlich untragbar. Das KIER-Team entschied sich schließlich, Platin vollständig aufzugeben und stattdessen Nickel und Kobalt zu verwenden, die jeweils etwa US$0.02 pro Gramm (ca. HK$0) und US$0.05 pro Gramm (ca. HK$0) kosten.
Technologische Vorteile der neuen Elektrode
Wie übertreffen billige Metalle Platin? Dies liegt an ihrer intelligenten Struktur. Das Team hat eine doppelte Komponenten-Heterostruktur entwickelt, die Nickeloxid und eine Nickel-Kobalt-Legierung auf derselben Elektrodenoberfläche kombiniert. Jede Komponente bearbeitet unterschiedliche Phasen der Reaktion. Nickeloxid fungiert als chemischer Katalysator und spaltet schnell in der anfänglichen langsamen Dissoziationsphase die Wassermoleküle; während die Ni-Co-Legierung verwendet wird, um die freigesetzten Wasserstoffionen in nutzbares Brenngas zu verbinden.
Die Leistungsergebnisse zeigen das Potenzial dieser Technologie. Die Elektrode erreicht bei nur 22.7 mV Überpotential die gleiche Wasserstoffproduktion, was etwa 40% der 56.5 mV entspricht, die für kommerzielle Platin-Systeme erforderlich sind. Die Forscher bemerkten: „Die entwickelte Elektrode liefert bei etwa 40% des Überpotentials die gleiche Wasserstoffproduktion und zeigt herausragende Leistung im Vergleich zu nicht-edelmetallischen alkalischen Elektroden, die in den letzten drei Jahren berichtet wurden.“ Viele Laborinnovationen scheitern in praktischen Netztests, da schwankende Solar- und Windenergie die Geräte extremen Betriebszyklen aussetzen. KIER hat diese neue Elektrode speziell entwickelt, um diesen unvorhersehbaren Bedingungen standzuhalten.
In einem Test mit einer Zelle von 8.7 cm reduzierte die Elektrode die Zellenspannung im Vergleich zu Standard-Nickelzellen um 11%. Selbst bei 600 aufeinanderfolgenden Start-Stopp-Stresszyklen wurde keine Leistungseinbuße festgestellt.
Zukünftiges kommerzielles Potenzial
In Zukunft könnte die Elektrode zusammen mit instabilen Solar- und Windkraftanlagen betrieben werden. Das Team hat die Laborphase bereits hinter sich gelassen. Co-Leiter Dr. Lee Hyun-Joon enthüllte, dass das Team eine große Elektrode mit einem Durchmesser von 40 cm hergestellt hat und dabei ist, den Herstellungsprozess für die kommerzielle Produktion zu verfeinern. Das endgültige Ziel ist es, die Oberfläche der Elektrode auf 5,000 cm² zu erweitern, um sie direkt in Megawatt-Industrieanlagen zu integrieren. Wenn dies erfolgreich umgesetzt wird, könnte dies letztendlich das Problem der Edelmetallsteuer für Wasserstoff lösen. Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift Advanced Science veröffentlicht.
Einfluss der platinfreien Elektrode auf die Wasserstoffproduktion
Die Entwicklung dieser neuen platinfreien Nickel-Kobalt-Elektrode stellt einen bedeutenden Durchbruch in der Wasserstoffproduktionstechnologie dar. Traditionell basierte die Wasserstoffproduktion auf teuren Edelmetallkatalysatoren, was ihre wirtschaftliche Machbarkeit einschränkte. Durch die Verwendung günstigerer Metalle senkt diese Technologie nicht nur die Produktionskosten, sondern steigert auch die Wasserstoffausbeute und -effizienz. Mit der Verbreitung erneuerbarer Energien hat diese neue Elektrode ein enormes Anwendungspotenzial, das die breite Nutzung von grünem Wasserstoff fördern und die globale Energiewende weiter vorantreiben kann.