Katalysator nach dem Vorbild der Blei-Säure-Batterie
Pb-dotiertes RuIrOx für effiziente und dauerhafte saure Sauerstoffentwicklung in Protonenaustauschmembran-Elektrolyseuren bei 3 A/cm2
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Ein internationales Forschungsteam des Songshan Lake Materials Laboratory (SLAB), des Instituts für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und des International Iberian Nanotechnology Laboratory hat einen neuartigen bleidotierten Ruthenium-Iridiumoxid-Katalysator (RuIrPbOₓ) entwickelt, der eine herausragende Stabilität und Effizienz für Sauerstoffentwicklungsreaktionen (OER) in Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyseuren (PEMWEs) aufweist, die mit hohen Stromdichten von 3 A/cm² arbeiten. Diese Arbeit befasst sich mit den seit langem bestehenden Herausforderungen in Bezug auf die Haltbarkeit und Leistung des Katalysators unter sauren, rauen Bedingungen und ebnet den Weg für zuverlässigere und kostengünstigere Technologien zur Wasserstofferzeugung.
Die Wasserstoffproduktion mittels Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse ist eine bekannte und vielversprechende Lösung für saubere Energie. Im Mittelpunkt dieser Technologie stehen Katalysatoren, die die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) unter stark sauren Bedingungen ermöglichen. Die derzeit auf dem neuesten Stand der Technik befindlichen Katalysatoren, die hauptsächlich auf Ruthenium- und Iridiumoxiden basieren, haben eine hohe Aktivität gezeigt, leiden aber unter erheblichen Problemen bei der Haltbarkeit, wenn sie bei hohen Stromdichten betrieben werden. Ihre strukturelle Degradation, einschließlich der Beteiligung von Sauerstoff im Gitter und der Auslaugung von Metallen, begrenzt die Lebensdauer und behindert den praktischen Einsatz. Darüber hinaus bleibt das Gleichgewicht zwischen Aktivität, Stabilität und Kosten eine ständige Herausforderung, was vor allem auf die korrosive Umgebung und die Knappheit an Edelmetallen zurückzuführen ist.
Derzeit verwenden die meisten PEM-Elektrolyseure Katalysatoren auf Iridiumbasis, da IrO₂ der korrosiven sauren Umgebung standhalten kann. Iridium ist jedoch eines der seltensten und teuersten Elemente der Erde, und seine globale Lieferkette ist anfällig für geopolitische Schwankungen. Ruthenium, das zwar häufiger vorkommt und aktiver ist, löst sich unter Hochspannung schnell auf und bildet lösliche RuO₄-Spezies, die zu einer schnellen Zersetzung führen. Forscher auf der ganzen Welt haben nach Möglichkeiten gesucht, Ru-Ir-Oxid-Katalysatoren zu stabilisieren oder Iridium ganz zu ersetzen - aber die Aufrechterhaltung sowohl einer hohen Aktivität als auch einer langfristigen Haltbarkeit unter industriellen Stromdichten ist eine gewaltige Herausforderung geblieben.
RuIrPbOx als PEMWE-Anodenkatalysatoren.
Fei Lin and Lifeng Liu from Songshan Lake Materials Laboratory.
Die Lösung
In Anlehnung an die robuste Chemie von Blei-Säure-Batterien dotierten die Forscher durch ein einfaches Sol-Gel-Verfahren Bleiatome in das Ru-Ir-Oxid-Gitter. Die Blei-Atome wirken als elektronische Stabilisatoren, die die lokale Struktur der Ruthenium-Stellen abstimmen und deren Auflösung verhindern, eine der wichtigsten Fehlerquellen bei herkömmlichen Katalysatoren.
Eine weitergehende Charakterisierung ergab, dass die optimale Pb-Dotierung die zerstörerische Beteiligung des Gittersauerstoffs an der Sauerstoffentwicklungsreaktion unterdrückt und die Integrität des Katalysators bewahrt. Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) bestätigten außerdem, dass die Pb-Dotierung die Ru-O-Kovalenz reduziert und die Ru-Auflösungsenergie erhöht, wodurch ein Auslaugen von Ru wirksam verhindert wird. Bei der Integration in einen vollständigen PEM-Elektrolyseur ermöglichte dieser Katalysator die Wasserelektrolyse bei 1,96 V @ 3 A cm-² und übertraf damit die kommerziellen IrO₂- und RuO₂-Elektroden bei deutlich geringerem Edelmetallverbrauch. Die Gesamtbelastung mit Platingruppenmetallen (Pt + Ru + Ir) wurde auf 0,17 mg W-¹ gesenkt, was dem Ziel des U.S. DOE für 2026 nahekommt und das Ziel der EU Clean Hydrogen 2030 für PEMWE übertrifft.
Die Zukunft
Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Vergrößerung der Elektrodenherstellung und die Optimierung der Katalysatorintegration in großflächige PEM-Stapel konzentrieren. Das Team plant auch die Erforschung alternativer Dotierstoffe und Nanostrukturierungsstrategien, um den Edelmetallverbrauch weiter zu senken und die Leistung bei noch höheren Stromdichten zu verbessern.
Diese Studien zielen darauf ab, den industriellen Einsatz von PEM-Wasserelektrolyseuren, die mit erneuerbaren Energien betrieben werden, zu beschleunigen - ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zu einer globalen grünen Wasserstoffwirtschaft.
Die Auswirkungen
Diese Entdeckung zeigt einen praktischen Weg zur Herstellung effizienter und langlebiger Katalysatoren für die saure Wasserelektrolyse auf und überwindet damit einen der größten Engpässe für die großtechnische Produktion von grünem Wasserstoff. Durch die Kombination von Kostensenkung, hoher Stromdichte und außergewöhnlicher Stabilität setzt der bleimodifizierte Ru-Ir-Oxid-Katalysator einen neuen Maßstab für die Elektrolyseurtechnologie der nächsten Generation.
Die Arbeit trägt nicht nur zum grundlegenden Verständnis der Stabilitätsmechanismen von Edelmetalloxiden bei, sondern liefert auch eine Blaupause für die Entwicklung robuster Elektrokatalysatoren für industrielle Systeme zur Erzeugung erneuerbarer Energien.
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Originalveröffentlichung
Jingwei Wang, Kaiyang Xu, Zhipeng Yu, Hang Cui, Haoliang Huang, Chenyue Zhang, Run Ran, Liyuan Zeng, Yang Zhao, Xinyi Xiang, Weifeng Su, Yaowen Xu, Sitaramanjaneya Mouli Thalluri, Fei Lin, Lifeng Liu; "Lead-doped ruthenium-iridium oxide catalysts for durable acidic oxygen evolution in proton exchange membrane electrolyzers at 3 A/cm2"; Materials Futures, 2025-11-3
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