Berliner Forscher entwickeln effiziente und günstige Wasserstoff-Produktion

| 21. Juli 2020, 6:25
Wasser (Brett Hondow from Pixabay)

BERLIN, 20. Juli (WNM/Nature Communications/Stefanie Terp) - Eine erfolgreiche Energiewende braucht sichere und bezahlbare Alternativen zu den fossilen Energieträgern. Mit der Nationalen Wasserstoffstrategie 2020 setzt die deutsche Bundesregierung einen deutlichen Schwerpunkt auf Wasserstoff als sauberen und sicheren Energieträger.

Chemiker der Technischen Universität Berlin publizierten in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communication jetzt die molekulare Wirkungsweise von speziellen Nickeloxid-Katalysatoren, die den herkömmlichen Edelmetall-Katalysatoren sogar überlegen sind. Parallel dazu veröffentlichte die Gruppe in der Fachzeitschrift Nature Materials den ersten PEM Brennstoffzell-Elektrokatalysator, der ausschließlich auf der ungewöhnlichen katalytischen Wirkung des Metalls Zinn beruht. Damit leisteten die Wissenschaftler einen wesentlichen Beitrag sowohl zur wirtschaftlich sinnvollen Wasserstoffgewinnung als auch seiner Nutzung.

Um das Ziel der Treibhausgasneutralität zu erreichen, muss Deutschland Möglichkeiten schaffen, Wasserstoff als Dekarbonisierungs-Option zu nutzen. „Sinnvollerweise setzt die Bundesregierung dabei auf den sogenannten ‚grünen Wasserstoff‘, also Wasserstoff, der aus erneuerbaren Energien hergestellt wird“, weiß Peter Strasser, Leiter des Fachgebiets Elektrochemie und Elektrochemische Energiewandlung an der TU Berlin, aus dessen Gruppe die beiden Arbeiten stammen. Wasserstoff ist ein vielfältig einsetzbarer Energieträger, der zum Beispiel in Brennstoffzellen der wasserstoffbasierten Mobilität den Weg ebnet und als Basis für synthetische Kraft- und Brennstoffe genutzt wird. Die Erzeugung von grünem Wasserstoff erfolgt im Rahmen der Wasserspaltung in Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse – angetrieben von Strom aus erneuerbaren Energien.

„Dabei ist die gekoppelte Erzeugung von Sauerstoff tatsächlich der chemische Vorgang, der die meisten Energieverluste verursacht“, erläutert Strasser. „Sogenannte Proton Exchange Membrane (PEM) Elektrolyseure verwenden das sehr teure und seltene Edelmetall Iridium als Katalysator an der Anode. Geht man von den in der Wasserstoffstrategie der Bundesregierung formulierten Kapazitätszielen zur Wasserstoffproduktion bis 2030 aus, müssten wir jedoch die gesamte jährliche Iridium-Förderung der Welt verwenden – um wenige Prozent des deutschen Energiebedarfs zu decken.“ Zusammen mit seinem Team erforscht Peter Strasser edelmetallfreie Katalysatoren aus Nickel- und Eisenoxiden für Elektrolyseure, die in alkalischen pH-Bedingungen arbeiten. Diese Katalysatoren beschleunigen die Wasserelektrolyse so, dass sie Iridium überlegen sind. In Nature Communications veröffentlichten die Wissenschaftler jetzt die molekulare Wirkungsweise dieser Designerkatalysatoren bis ins Detail. Gleichzeitig wurde in Kooperation mit Kollegen an der Purdue University in USA ein theoretisches Modell dieses Katalysators entwickelt, welches die experimentellen Ergebnisse, die in Zusammenarbeit mit dem Fritz-Haber-Institut durchgeführt wurden, vollständig reproduzieren konnte. „Dieses neue Verständnis trägt dazu bei, eine grüne, effiziente und kostengünstige Wasserstoffproduktion in greifbare Nähe zu rücken“, so Peter Strasser.

In der Publikation in Nature Materials beschreiben der Wissenschaftler und sein Team die Entdeckung eines völlig neuen Katalysators für die Proton Exchange Membrane (PEM) Brennstoffzelle, in der grüner Wasserstoff wieder zu Strom für mobile oder stationäre Anwendungen umgewandelt wird. „Bei den meisten Elektrokatalysatoren handelt es sich um Metalle der Nebengruppen des Periodensystems wie Platin, Eisen oder Silber. Metalle der Hauptgruppen sind aufgrund ihrer elektronischen Struktur dagegen in der Regel sehr schlechte Katalysatoren. Der neue Katalysator für die PEM Brennstoffzelle beruht aber auf der katalytischen Wirkung eines Hauptgruppen-Metalls – dem Zinn“, beschreibt Peter Strasser. Dazu haben die Forscher einzelne Zinn-Atome in einer schichtartigen Kohlenstoffmatrix – sogenanntem Graphen – eingelagert und mit Stickstoff Atomen fixiert. Die Wissenschaftler sprechen von einem „Single Atom Katalysator“. Getestet in einer Brennstoffzelle zeigte sich, dass sich die katalytische Wirkung des Zinn-Stickstoff-Kohlenstoff-Katalysators der des teuren Platins annähert und die herkömmlicher platinfreier Katalysatoren sogar übertrifft.

In einer internationalen Kooperation mit Arbeitsgruppen in den USA, Frankreich und Dänemark konnten die atomare Struktur sowie die molekulare Wirkungsweise des neuartigen Zinn-Katalysators bis ins Detail untersucht und aufgeklärt werden.

„Wenn wir in der Brennstoffzelle Zinn anstelle von Platin als Katalysator verwenden, sinken die Katalysatorkosten enorm. Daneben hat Zinn noch weitere positive chemische Eigenschaften, welche die Lebensdauer der in der Brennstoffzelle verwendeten Membrane verlängern kann“, summiert Peter Strasser.