26.10.2022 - Rice University

Katalysatoren zur Wasserspaltung

Ingenieure entwickeln stabile Geräte, die kein teures Iridium benötigen

Der Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft ist keine leichte Aufgabe, aber die Ingenieure der Rice University haben eine Methode entdeckt, die die Katalyse der Sauerstoffentwicklung in Säuren, eines der schwierigsten Themen bei der Wasserelektrolyse zur Herstellung sauberer Wasserstoffkraftstoffe, wirtschaftlicher und praktischer machen könnte.

Das Labor des Chemie- und Biomolekularingenieurs Haotian Wang an der George R. Brown School of Engineering der Rice University hat das seltene und teure Iridium durch Ruthenium, ein weitaus häufigeres Edelmetall, als Katalysator für die positive Elektrode in einem Reaktor ersetzt, der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet.

Die erfolgreiche Zugabe von Nickel zu Rutheniumdioxid (RuO2) führte zu einem robusten Anodenkatalysator, der unter Umgebungsbedingungen Tausende von Stunden lang Wasserstoff aus der Wasserelektrolyse erzeugt.

"Es gibt ein großes Interesse der Industrie an sauberem Wasserstoff", sagte Wang. "Er ist ein wichtiger Energieträger und auch für die chemische Produktion wichtig, aber seine derzeitige Herstellung trägt weltweit zu einem erheblichen Teil der Kohlenstoffemissionen in der chemischen Industrie bei. Wir wollen ihn auf eine nachhaltigere Art und Weise herstellen, und die Wasserspaltung mit sauberem Strom wird allgemein als die vielversprechendste Option angesehen.

Iridium ist etwa achtmal teurer als Ruthenium und könnte bei der kommerziellen Herstellung von Geräten 20 bis 40% der Kosten ausmachen, insbesondere bei künftigen Großanwendungen.

Das von Wang, dem Rice-Postdoktoranden Zhen-Yu Wu und dem Doktoranden Feng-Yang Chen sowie Kollegen von der University of Pittsburgh und der University of Virginia entwickelte Verfahren wird in Nature Materials ausführlich beschrieben .

Bei der Wasserspaltung handelt es sich um Sauerstoff- und Wasserstoffentwicklungsreaktionen, bei denen polarisierte Katalysatoren Wassermoleküle umordnen, um Sauerstoff und Wasserstoff freizusetzen. "Wasserstoff wird von der Kathode erzeugt, die eine negative Elektrode ist", so Wu. "Gleichzeitig muss sie die Ladung durch die Oxidation von Wasser ausgleichen, um Sauerstoff auf der Anodenseite zu erzeugen.

"Die Kathode ist sehr stabil und stellt kein großes Problem dar, aber die Anode ist anfälliger für Korrosion, wenn ein saurer Elektrolyt verwendet wird", so Chen. "Häufig verwendete Übergangsmetalle wie Mangan, Eisen, Nickel und Kobalt werden oxidiert und lösen sich im Elektrolyten auf.

"Deshalb ist das einzige praktische Material, das in kommerziellen Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyseuren verwendet wird, Iridium", sagte er. "Es ist für Zehntausende von Stunden stabil, aber sehr teuer.

Auf der Suche nach einem Ersatz entschied sich das Labor von Wang für Rutheniumdioxid aufgrund seiner bekannten Aktivität und dotierte es mit Nickel, einem von mehreren versuchten Metallen.

Die Forscher wiesen nach, dass ultrakleine und hochkristalline RuO2-Nanopartikel mit Nickel-Dotierungen, die an der Anode verwendet wurden, mehr als 1.000 Stunden lang bei einer Stromdichte von 200 Milliampere pro Quadratzentimeter die Wasserspaltung bei vernachlässigbarer Degradation ermöglichten.

Sie testeten ihre Anoden mit anderen aus reinem Rutheniumdioxid, das die Wasserelektrolyse einige hundert Stunden lang katalysierte, bevor es zu zerfallen begann.

Das Labor arbeitet an der Verbesserung seines Ruthenium-Katalysators, um ihn in aktuelle industrielle Prozesse einzubinden. "Jetzt, da wir diesen Stabilitätsmeilenstein erreicht haben, besteht unsere Herausforderung darin, die Stromdichte um mindestens das Fünf- bis Zehnfache zu erhöhen und dabei diese Art von Stabilität beizubehalten", so Wang. "Das ist eine große Herausforderung, aber immer noch möglich."

Er sieht die Notwendigkeit als dringend an. "Mit der jährlichen Produktion von Iridium können wir nicht die Menge an Wasserstoff herstellen, die wir heute benötigen", so Wang. "Selbst wenn wir das gesamte weltweit produzierte Iridium verwenden, können wir nicht die Menge an Wasserstoff erzeugen, die wir brauchen, wenn wir ihn durch Wasserelektrolyse herstellen wollen.

"Das bedeutet, dass wir uns nicht vollständig auf Iridium verlassen können", sagte er. "Wir müssen neue Katalysatoren entwickeln, um den Einsatz von Iridium zu reduzieren oder es ganz aus dem Prozess zu entfernen."

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