Grüner Wasserstoff: Ein-Atom-Katalysator spart teures Iridium
Weniger Iridium, gleiche Leistung: Bifunktionaler Ein-Atom-Katalysator überzeugt im 300-h-Dauertest.
Forschende aus Korea erzeugen Wasserstoff und Sauerstoff gleichzeitig aus einem einzigen Atom! Mit einem „All-in-One”-Katalysator erreichen sie CO2-Neutralität für die Wasserstoffelektrolyse. Smarterpix / LuigiB2302
Foto: Smarterpix / LuigiB2302
Grüner Wasserstoff steht und fällt mit der Elektrolyse. Technisch funktioniert sie. Wirtschaftlich hakt es oft am Katalysator – vor allem am Edelmetall Iridium. Es ist selten, teuer und bisher kaum zu ersetzen, wenn es um stabile Sauerstoffentwicklung in alkalischen oder membranbasierten Systemen geht.
Ein Team des Korea Institute of Science and Technology (KIST) zeigt nun, dass sich das Problem auf atomarer Ebene lösen lässt. Statt Iridium in Form von Partikeln oder Oxiden einzusetzen, verteilen die Forschenden einzelne Ir-Atome gezielt auf einem Nickel-Mangan-Träger. Das Ergebnis: hohe Aktivität für Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklung – bei drastisch reduziertem Edelmetalleinsatz.
Inhaltsverzeichnis
Zwei Reaktionen, ein Katalysator
In einer Anionenaustauschmembran-Elektrolyse (AEMWE) laufen zwei Reaktionen parallel:
- die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) an der Kathode
- die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) an der Anode
Beide haben in alkalischem Milieu träge Kinetiken. Für die HER muss Wasser zunächst gespalten werden. Für die OER sind vier Elektronenübertragungen nötig. Entsprechend hoch sind die nötigen Überspannungen.
Bisherige Systeme arbeiten meist mit unterschiedlichen Katalysatoren für beide Elektroden. Das erhöht Komplexität und Kosten. Genau hier setzt das neue Konzept an: ein bifunktionaler Katalysator, der beide Reaktionen auf derselben Materialbasis effizient unterstützt.
Atom für Atom statt Edelmetall-Brocken
Im Zentrum steht ein Trägermaterial aus Nickel und Mangan, ein sogenanntes Layered Double Hydroxid (Mn–Ni-LDH). Vereinfacht gesagt: eine schichtartige Metallhydroxid-Struktur mit vielen möglichen Bindungsstellen. Dieses Material wird mit Phytinsäure behandelt. Die Phytinsäure enthält mehrere Phosphatgruppen, die Metallionen sehr fest koordinieren können.
Genau diese Eigenschaft nutzt das Team: Die Phosphatgruppen „fangen“ einzelne Iridium-Atome ein und halten sie stabil auf der Oberfläche fest. Das Iridium liegt nicht als Partikel oder Nanokristall vor. Es gibt keine kleinen Iridium-Klümpchen, sondern isolierte Einzelatome, die gleichmäßig über die Oberfläche verteilt sind.
Foto: Korea Institute of Science and Technology
Edelmetall wird vollständig genutzt
Spektroskopische Untersuchungen (XANES und EXAFS) belegen das eindeutig. Es finden sich nur Ir–O-Bindungen, also Iridium an Sauerstoff gebunden. Typische Ir–Ir-Signale, wie sie bei Partikeln auftreten würden, fehlen. Das bedeutet: Die Atome sind tatsächlich voneinander getrennt. Die gesamte Iridium-Menge liegt bei nur etwa 1,42 at.% – also sehr wenig Material.
Der entscheidende Vorteil: Jedes einzelne Iridium-Atom ist als aktives Zentrum verfügbar. Bei größeren Partikeln sitzen viele Atome im Inneren und tragen nicht direkt zur Reaktion bei. Hier gibt es kein „inaktives Volumen“. Das Edelmetall wird vollständig genutzt.
Getestet unter realen Bedingungen
Getestet wurde der Katalysator in einer alkalischen Lösung mit 1 M KOH – also unter Bedingungen, wie sie auch in vielen AEM-Elektrolysesystemen üblich sind. Für die Wasserstoffentwicklung (HER) benötigt das Material eine Überspannung von nur 65 mV, um eine Stromdichte von 10 mA pro Quadratzentimeter zu erreichen. Das ist ein niedriger Wert. Je kleiner die Überspannung, desto weniger zusätzliche Energie muss man in das System stecken.
Bei der Sauerstoffentwicklung (OER) liegt die nötige Überspannung bei 272 mV bei derselben Stromdichte. Auch das ist ein konkurrenzfähiger Wert im alkalischen Bereich. Zum Vergleich: Gängige Referenzkatalysatoren wie Pt/C (für HER) oder RuO₂ (für OER) bewegen sich in ähnlichen Bereichen – teils sogar darüber. Das neue Material spielt also leistungsmäßig in derselben Liga, kommt aber mit deutlich weniger Edelmetall aus.
Noch wichtiger als einzelne Kennzahlen ist jedoch die Stabilität. Im Labortest läuft der Katalysator über mehr als 100 Stunden, ohne nennenswert an Leistung zu verlieren. In einer kompletten AEM-Einzelzelle erreicht das System 1,64 A pro Quadratzentimeter bei 2,0 V – also hohe Stromdichten, wie sie für industrielle Anwendungen relevant sind. Und auch hier bleibt die Leistung über 300 Stunden stabil.
Dr. Jongbeom Na ordnet die Ergebnisse so ein: „Diese Arbeit ist von großer Bedeutung, da sie die beiden wesentlichen Reaktionen für die Wasserstofferzeugung mit einem einzigen Katalysator löst und gleichzeitig den Verbrauch von Edelmetallen reduziert.“
Warum ein einzelnes Atom reicht
Die theoretischen Berechnungen (DFT) helfen zu verstehen, warum schon ein einzelnes Iridium-Atom so viel bewirken kann.
Vereinfacht gesagt verändert das Iridium die elektronischen Eigenschaften des gesamten Materials:
- Die elektronischen Zustände verschieben sich (Stichwort: d-Band-Zentrum).
- Die sogenannte Bandlücke wird kleiner.
- Elektronen können sich leichter bewegen.
Das bedeutet: Der Ladungstransfer zwischen Katalysator und Reaktionspartnern läuft effizienter ab. Genau das braucht man für schnelle Elektrodenreaktionen.
Wasserstoffentwicklung (HER)
Ein wichtiger Kennwert ist die freie Adsorptionsenergie von Wasserstoff (ΔG_H*). Ist dieser Wert zu stark negativ, „klebt“ der Wasserstoff zu fest an der Oberfläche. Ist er zu positiv, bindet er kaum. Ideal ist ein Wert nahe 0 eV.
Das neue Material erreicht −0,06 eV. Das liegt sehr nahe am theoretischen Optimum. Der Wasserstoff bindet also weder zu stark noch zu schwach – genau richtig für eine schnelle Reaktion.
Sauerstoffentwicklung (OER)
Auch bei der Sauerstoffentwicklung zeigen die Berechnungen günstige Energiewerte. Der energieaufwendigste Reaktionsschritt benötigt nur 0,8 eV.
Zum Vergleich:
- Reine Iridium-Nanocluster benötigen deutlich mehr Energie.
- Auch das Mn–Ni-Material ohne Iridium schneidet schlechter ab.
Das einzelne Iridium-Atom sorgt also dafür, dass die Zwischenprodukte weder zu fest noch zu locker gebunden werden. Die Reaktion läuft dadurch schneller ab.
Kurz gesagt:
Ein einziges Iridium-Atom verändert die elektronische Struktur so, dass beide Reaktionen – Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklung – energetisch günstiger ablaufen. Genau deshalb reicht hier ein Atom.
Industrielle Relevanz
Die Ergebnisse sind mehr als ein Laborerfolg. Die Forschenden haben den Katalysator direkt auf einen porösen Nickel-Filz wachsen lassen – also auf ein Material, wie es auch in realen Elektrolyseuren eingesetzt wird.
Dabei verzichten sie auf ein zusätzliches Bindemittel, ein sogenanntes Ionomer. Solche Zusatzstoffe können elektrische Widerstände erhöhen und mit der Zeit altern oder sich zersetzen. Ohne dieses Bindemittel wird der elektrische Kontakt besser – und das System bleibt langfristig stabiler.
Im Dauertest läuft die Zelle bei einer hohen Stromdichte von 1 A pro Quadratzentimeter über 300 Stunden. Die nötige Zellspannung steigt dabei nur um 23 Millivolt. Das ist sehr wenig. Anders gesagt: Die Leistung bleibt über lange Zeit nahezu konstant. Im Vergleich zu vielen veröffentlichten Systemen ist das eine geringe Alterung.
Wenn sich dieses Konzept im größeren Maßstab umsetzen lässt, könnte es ein zentrales Problem der AEM-Elektrolyse entschärfen: hohe Stromdichten und stabile Leistung – bei gleichzeitig sehr geringem Iridiumeinsatz.
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