Forscher entwickeln Edelmetall-freien Katalysator
Bei der Elektrolyse von Wasser benötigten Ingenieure teure und empfindliche Edelmetalle als Katalysatoren. Jetzt zeigen Ulmer Wissenschaftler, welche Potenziale Edelmetall-freie Komposit-Katalysatoren haben.
Dandan Gao entwickelte zusammen mit Kollegen ein edelmetallfreies Metalloxid-Gemisch.
Foto: Uni Ulm
Brennstoffzellen sind ein wichtiger Baustein für die Energiewende, um Stromüberschüsse in chemischer Form zu speichern und später per Brennstoffzelle in Strom umzuwandeln – speziell bei Wind- oder Solarkraftanlagen. Das geht über zwei Stufen. Im ersten Schritt wird Wasser elektrochemisch in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Wasserstoff lässt sich lagern. Daraus gewinnen Brennstoffzellen im zweiten Schritt elektrische Energie, beispielsweise für die Elektromobilität.
Bereits die Elektrolyse ist für Ingenieure eine Herausforderung. Als Elektrolyt eignet sich eine 25- bis 30-prozentige Kaliumhydroxid-Lösung, die Betriebstemperatur liegt bei etwa 70 bis 90 Grad Celsius, und die Stromdichte beträgt circa 0,15 bis 0,5 Ampere pro Kubikzentimeter. Die Elektroden bestehen üblicherweise aus Platin, Rhodium und Palladium oder Iridium als Katalysator, um die Umsetzung von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff zu beschleunigen. Anode und Kathode bestehen aus verschiedenen Materialien, um möglichst hohe Wirkungsgrade zu erzielen. Das Verfahren hat mehrere Nachteile: Edelmetalle sind teuer, und Verunreinigungen führen schnell zur „Vergiftung“ von Katalysatoren, also zu einer verringerten Aktivität. Doch es gibt Alternativen.
Komposit-Katalysator aus drei Metalloxiden
Chemiker der Universität Ulm haben nun einen Edelmetall-freien Komposit-Katalysator entwickelt, der in beiden Teilreaktionen, sprich der Bildung von Wasserstoff und von Sauerstoff, eingesetzt werden kann. Ziel des Forschungsprojekts war, Platinmetalle zu vermeiden. Der Verbundwerkstoff besteht aus hochreaktivem Kobaltoxid und aus halbleitendem Kupferoxid, um den Elektronentransfer zu verstärken. Hinzu kommt ein Wolframoxid. Es stabilisiert die Raumstruktur des neuen Katalysators.
Die größte Herausforderung bestand für die Wissenschaftler darin, unterschiedliche Metalloxide auf der Oberfläche der Kupferschaum-Elektrode stabil zu verankern. Bei der Herstellung arbeiteten die Forscher mit hydrothermalen Verfahren. Dabei scheiden sich Metalloxide, die zuvor als Salze in wässriger Lösung waren, auf makroporösem Kupferschaum ab. Kupferschaum eignet sich hervorragend als Elektrodenmaterial: Er ist leitfähig und hat eine große Oberfläche, was katalytische Reaktionen vereinfacht. An der Oberfläche selbst werden später Wasserstoff beziehungsweise Sauerstoff freigesetzt.
Erste Tests im Labor bescheinigten den neuen Katalysatoren eine gute Leistungsfähigkeit bei Elektrolysen. Außerdem machten die Ulmer Forscher Metall-Oxid-Nanostrukturen mit physikalischen Verfahren sichtbar. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten leitfähigen Nanodrähte aus Kupferoxid, die nadelartige Strukturen ausbilden. Die Einblicke ermöglichen es Ulmer Wissenschaftlern, zu verstehen, wie ihr Katalysator funktioniert – und wo sich vielleicht noch Optimierungsmöglichkeiten ergeben.
Elektrolyse ist ein „heißes Thema“ in der Forschung
Sie sind aber keineswegs die einzige Gruppe mit Interesse an Katalysatoren für Elektrolyse-Vorgänge. Chemiker des Schweizer Paul-Scherrer-Instituts (PSI) hatten ähnliche Pläne. Sie fanden in Perowskiten, also komplexen Festkörpern aus Barium, Strontium, Kobalt, Eisen und Sauerstoff, ein ideales Material. Um Perowskite als Nanopartikel zu erzeugen, sprühten sie Verbindungen durch eine Flamme. Anschließend zeigten sie, dass sich ihr Katalysator auch in großem Maßstab herstellen lässt. Und nicht nur das: In Kooperation mit einem Industriepartner wiesen sie nach, dass ihr Perowskit zuverlässiger arbeitet als mit einem konventionellen Iridium-Oxid-Katalysator – und auch stabil ist.
Eine andere Fragestellung bearbeiteten Wissenschaftler der Technischen Universität München, der Ruhr-Universität Bochum und der Universität Leiden. Ihr Ziel war es, Energieverluste bei der Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie zu minimieren: derzeit ein großes Manko elektrolytischer Verfahren. In-silico-Analysen zeigten, dass herkömmlichen Elektroden aus Platin, Rhodium und Palladium die Zwischenprodukte zu stark binden. Das führt zu Energieverlusten.
Deshalb modifizierten die Forscher Oberflächen ihrer Platin-Katalysatoroberfläche, indem sie eine Schicht aus Kupferatomen einfügten. Mit dem Trick verringerten sie die Bindungsenergie von Zwischenprodukten. Ihr neues System erzeugte im Labor doppelt so viel Wasserstoff wie eine Elektrode aus hochreinem Platin. Wichtig war, die Kupferschicht direkt unter der obersten Lage an Platinatomen zu verankern. Die Gruppe beobachtete zudem, dass die Elektroden mit der Kupferschicht langlebiger waren. Das neue Material korrodierte deutlich langsamer. Auf Basis ihrer Ergebnisse planen sie, noch bessere Katalysatoren zu designen. Alle Arbeitsgruppen haben das gleiche Ziel. Sie wollen Wasserstoff möglichst effizient aus Stromüberschüssen der Windkraft beziehungsweise der Solarenergie produzieren.
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