Revolutionärer Katalysator steigert Grüne-Wasserstoff-Produktionseffizienz dramatisch

Korea Research Institute of Standards and Science, Daejeon, Südkorea

Grüner Wasserstoff, produziert durch Wasserelektrolyse, ist eine nächste-Generation umweltfreundliche Energiequelle, da er während der Produktion keine Schadstoffe wie Kohlendioxid erzeugt. Katalysatoren spielen eine entscheidende Rolle im Wasserelektrolyseprozess, der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Die Effizienz der Grünen-Wasserstoff-Produktion hängt weitgehend von der Performance dieser Katalysatoren ab. Daher hängt die Kommerzialisierung von Grünem Wasserstoff von der Entwicklung kosteneffektiver Katalysatoren ab, die über längere Zeiträume hohe Performance aufrechterhalten können.

Forscher in Korea haben erfolgreich ein neues Material entwickelt, das die Effizienz der Grünen-Wasserstoff-Produktion signifikant steigert und gleichzeitig Kosten senkt.

Das Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) hat einen hochperformanten Basismetallkatalysator für den Einsatz in Anionenaustauschmembran (AEM)-Wasserelektrolyse entwickelt. Der neu entwickelte Katalysator ist nicht nur erschwinglicher als Edelmetallalternativen, sondern zeigt auch überlegene Performance und bringt die Kommerzialisierung von Grünem Wasserstoff einen Schritt näher.

Derzeit verlassen sich AEM-Wasserelektrolysesysteme überwiegend auf Edelmetallkatalysatoren wie Platin (Pt) und Iridium (Ir). Allerdings erhöhen die hohen Kosten dieser Materialien und ihre Anfälligkeit für Degradation die Wasserstoffproduktionskosten erheblich. Um diese Herausforderung zu überwinden, ist die Entwicklung langlebiger und erschwinglicher Basismetallkatalysatoren essenziell.

Die KRISS Emerging Material Metrology Group hat es geschafft, Basismetallkatalysatoren durch Einführung einer kleinen Menge Ruthenium (Ru) in eine Molybdändioxid-Nickelmolybdän (MoO₂-Ni₄Mo) Struktur zu entwickeln. Während Molybdändioxid hohe elektrische Leitfähigkeit bietet, war seine Verwendung als Wasserelektrolysekatalysator aufgrund von Degradation in alkalischen Umgebungen limitiert.

Durch umfassende Strukturanalyse identifizierten die Forscher Hydroxidionen (OH⁻)-Adsorption auf Molybdändioxid als primäre Degradationsursache.

Aufbauend auf diesen Erkenntnissen entwickelten sie eine Methode, Ruthenium im optimalen Verhältnis einzubauen, um Molybdändioxid-Degradation zu verhindern. Die resultierenden Ruthenium-Nanopartikel, kleiner als 3 Nanometer, bilden eine dünne Schicht auf der Katalysatoroberfläche, die Degradation verhindert und Haltbarkeit erhöht.

Performance-Evaluationen zeigten, dass der neu entwickelte Katalysator vierfache Haltbarkeit und mehr als sechsfache Aktivität im Vergleich zu bestehenden kommerziellen Materialien bietet.

Zudem erreichte der Katalysator, integriert mit einer Perowskit-Silizium-Tandem-Solarzelle, eine bemerkenswerte Solar-zu-Wasserstoff-Effizienz von 22,8 %, was seine starke Kompatibilität mit erneuerbaren Energiequellen unterstreicht.

Der Katalysator demonstrierte auch hohe Aktivität und Stabilität in Salzwasser und produzierte hochwertigen Wasserstoff. Diese Fähigkeit wird erwartet, die mit Entsalzung verbundenen Kosten signifikant zu reduzieren.

Dr. Sun Hwa Park, Principal Researcher an der KRISS Emerging Material Metrology Group, sagte: „Derzeit erfordert die Produktion von Grünem Wasserstoff gereinigtes Wasser, aber die Nutzung von echtem Meerwasser könnte die mit Entsalzung verbundenen Kosten substanziell senken. Wir planen, unsere Forschung in diesem Bereich fortzusetzen.“

Diese Forschung wurde durch das KRISS MPI Lab Program unterstützt und in Zusammenarbeit mit Professor Ho Won Jangs Team an der Seoul National University und Dr. Sung Mook Chois Team am Korea Institute of Materials Science durchgeführt.

Die Ergebnisse wurden in der Juli-Ausgabe von Applied Catalysis B: Environmental and Energy (IF: 20.2), einem führenden Journal im Bereich Chemietechnik, veröffentlicht.

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