Katalysatoren für grünen Wasserstoff, die sich selbst verbessern

In welchem Ausmaß steigern selbstaktivierende Katalysatoren die Wasserstoffproduktion in Elektrolyseuren? Diese Frage haben Forschende der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) untersucht. „Diese Katalysatoren optimieren sich selbst und werden im Laufe der Anwendung besser“, erläutert Dr. Dandan Gao vom Department Chemie der JGU. „Wir sind daher davon überzeugt, dass sie ein neues Paradigma für die Wasserstoffproduktion aufzeigen.“ Die Forscher nennen die Kernmerkmale der Selbstaktivierung und haben dafür 33 veröffentlichte Arbeiten zur Sauerstoffentwicklungsreaktion und 17 zur Wasserstoffentwicklungsreaktion detailliert analysiert.

Dabei quantifizieren sie nicht nur die Verbesserung durch die neuen Katalysatoren, sondern beleuchten auch die dahinterstehenden Mechanismen und benennen die treibende Kraft für die Leistungssteigerung. „Die selbstaktivierenden Elektrokatalysatoren haben das Potenzial, eine skalierbare, kostengünstige und nachhaltige Wasserstoffproduktion voranzutreiben“, sagt Gao.

Erstmals beide Seiten im Blick

Zur Herstellung von grünem Wasserstoff kommen Elektrolyseure zum Einsatz, die Wasser mithilfe von grünem Strom an zwei Elektroden in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten. Katalysatoren lassen diese Reaktion möglichst effizient ablaufen. Selbstaktivierende Katalysatoren, mit denen die Elektroden beschichtet werden und die aus zahlreichen verschiedenen Substanzen bestehen können, zeigen dabei einzigartige, interessante Eigenschaften. Ihre Leistung verbessert sich während des Betriebs kontinuierlich.

„Allerdings war das Verständnis, wie sich die Struktur der Katalysatoren auf ihre Leistung auswirkt, bislang begrenzt“, sagt Gao. Die meisten Untersuchungen hätten sich bisher nämlich nur mit einer Halbreaktion, der Sauerstoffentwicklungsreaktion, befasst. „Unsere Übersicht betrachtet erstmals beides, das Katalysatordesign für die Sauerstoffentwicklungsreaktion und für die Wasserstoffentwicklungsreaktion“, sagt Gao.

Warum der Katalysator im Betrieb besser wird

Doch woran liegt es, dass sich die Leistung des Katalysators verbessert? Gao und ihr Team fanden heraus, dass sich das Material des Katalysators während der Nutzung aufgrund von Diffusion neu organisiert. „Es diffundiert jeweils etwas Material aus dem Wasser und der Elektrode in den Katalysator und umgekehrt – die verschiedenen Materialien mischen sich also ein Stück weit. Diese Neuorganisation ist einer der Gründe für die Effizienzsteigerung“, erläutert Gao.

Zudem greifen Salze, die sich natürlicherweise im Wasser befinden, die Oberfläche des Elektrokatalysators an, wodurch diese im Sinne der gewünschten Reaktion aktiver und leistungsfähiger wird. Doch nicht nur dringen andere Materialien in die Katalysatorschicht ein, sie verändert auch ihre Nanostruktur – ein weiterer Grund für die Selbstoptimierung des Katalysators. „Die Oberfläche des Katalysators wird durch die elektrische Katalyse im Laufe der Zeit rauer und somit größer. Es werden mehr aktive Bereiche freigelegt, was die Effizienz des Katalysators abermals erhöht“, sagt Gao.

Vom Labor zur Industrie

In ihrer Veröffentlichung blicken die Forschenden auch in die nahe Zukunft. „Um Forschende bei den nächsten Schritten zu unterstützen, skizzieren wir basierend auf den aktuellen Forschungsergebnissen die zukünftige Richtung, um eine nachhaltige Wasserstoffproduktion zu beschleunigen“, sagt Gao. Wo klaffen Wissenslücken, die im Zuge einer skalierbaren, kostengünstigen und nachhaltigen Wasserstoffproduktion geschlossen werden sollten? Die Forschenden legen außerdem den Grundstein, um die fallabhängige Betrachtung in ein standardisiertes Protokoll zu überführen und die Forschungen somit effizienter zu gestalten. Ein Beispiel ist eine Tabelle, in der unter anderem Reaktionsmechanismen und Erkenntnisse standardisiert protokolliert werden können.

Gao und ihr Team haben neue Ansätze zur Elektrolyse mit selbstaktivierenden Katalysatoren entwickelt, darunter die Meerwasserelektrolyse, bei der statt Frischwasser Meerwasser als Elektrolyt verwendet wird. Dies ist üblicherweise schwierig, da die im Meerwasser enthaltenen Chloridionen den Katalysator angreifen und schädigen.

Im Fall von selbstaktivierenden Katalysatoren ist der Angriff der Chloridionen auf die Elektrode beziehungsweise die Katalysatoroberfläche jedoch vorteilhaft: Anstatt Schäden zu verursachen, interagieren die Ionen mit der Materialoberfläche so, dass diese stabiler wird und die Katalysatorleistung effizienter ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Ionen die elektronische Struktur und das Reaktionsverhalten des Materials gezielt beeinflussen. „Wir hoffen, die selbstaktivierenden Katalysatoren in naher Zukunft fit werden zu lassen für die industrielle Anwendung“, sagt Gao, „und die Wasserstoffproduktion kostengünstiger und nachhaltiger zu gestalten.“