Unter der Leitung von Professor Jungki Ryu von der School of Energy and Chemical Engineering am UNIST und Professor Dong-Hwa Seo vom Department of Materials Science and Engineering am KAIST hat ein gemeinsames Forschungsteam erfolgreich einen bifunktionalen Wasserelektrolysekatalysator für die hocheffiziente und stabile Produktion von hochreinem grünem Wasserstoff entwickelt.
Der neu entwickelte Katalysator weist selbst in stark korrosiven sauren Umgebungen eine außergewöhnliche Haltbarkeit auf. Durch die Verwendung von Ruthenium, Silizium und Wolfram (RuSiW) ist der Katalysator im Vergleich zu herkömmlichen Platin- (Pt-) oder Iridium- (Ir-) Katalysatoren kostengünstiger. Außerdem stößt er deutlich weniger Treibhausgase aus, was ihn zu einer umweltfreundlichen Alternative macht.
Alternativen zu Edelmetallkatalysatoren
Die Wasserelektrolyse ist eine Technologie, bei der durch Elektrolyse von Wasser Wasserstoff erzeugt wird. Sie gilt als Schlüsseltechnologie für die Verwirklichung einer kohlenstoffneutralen Gesellschaft, da sie die Herstellung von umweltfreundlichem Wasserstoff ohne Kohlenstoffemissionen ermöglicht.
Das Forschungsteam konzentrierte sich auf die Suche nach Alternativen zu Edelmetallkatalysatoren wie Platin und Iridium, die unter sauren Bedingungen stabil sind. Ruthenium hat aufgrund seiner relativ niedrigen Produktionskosten und seiner im Vergleich zu Platin und Iridium deutlich geringeren Treibhausgasemissionen als umweltfreundliches Metall Aufmerksamkeit erregt. Die Kommerzialisierung von Ruthenium ist jedoch aufgrund seiner im Vergleich zu Platin geringeren katalytischen Aktivität und seiner im Vergleich zu Iridium geringeren Stabilität schwierig.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, entwickelte das Forscherteam einen Katalysator auf der Basis von Ruthenium, Silizium und Wolfram. Durch die Verbesserung der Funktion des Ruthenium-Katalysators, der sowohl bei der Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) als auch bei der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) eine geringere Stabilität aufweist, demonstrierte das Team das Potenzial des Katalysators als bifunktionaler Katalysator.
Test beweist stabile Leistung
Der entwickelte Katalysator verfügt über eine mit Wolfram und Silizium dotierte Struktur um ein Rutheniumatom. Die Fähigkeit des Katalysators, Reaktionen zu beschleunigen, wurde durch Erhöhung der Adsorptionsintensität von Protonen auf der Katalysatoroberfläche verbessert. Im Vergleich zu handelsüblichen Platinkatalysatoren weist er eine höhere Aktivität in der Wasserstoffentwicklungsreaktion auf. Darüber hinaus schützt ein dünner Wolframfilm mit einer Dicke von 5 bis 10 nm die katalytische Stelle des Rutheniums und verbessert so seine Stabilität.
Das Forschungsteam führte ein Stabilitätsexperiment mit dem Katalysator durch. Unter Verwendung eines sauren Elektrolyten (mit einem Säuregrad von 0,3) injizierten sie 10 mA Strom in eine 1-cm2-Elektrode. Der entwickelte Katalysator zeigte auch nach über 100 h Betriebszeit eine stabile Leistung.
Professor Ryu erklärte: "Die Entwicklung dieses Drei-Elemente-Katalysators ist von Bedeutung, da er das Potenzial hat, teures Platin und Iridium gleichzeitig zu ersetzen. Es wird erwartet, dass er für hochreine grüne Wasserstoffproduktionssysteme wie PEM-Elektrolyseure eingesetzt werden kann, da er selbst unter hochkorrosiven sauren Bedingungen einfach und stabil synthetisiert werden kann."
