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Neuer Iridium-Katalysatoren hält Wasserstoff-Elektrolyse länger durch
Edelmetall unter Stress: Bei der Wasserelektrolyse ermöglicht seltenes Iridium die Sauerstoffbildung, doch die Katalysatoren verschleißen unter den harten Bedingungen. Forscher haben Iridium-Nanopartikel nun fest in einem speziellen Kristallgerüst verankert. Eine damit ausgerüstete Versuchszelle lief mehr als 3.800 Stunden bei vergleichsweise geringer Leistungsverschlechterung.
Sendai (Japan). Mithilfe von Strom lässt sich Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen. Kommt die Energie aus erneuerbaren Quellen, kann so klimafreundlicher Wasserstoff entstehen. Besonders geeignet für schwankenden Wind- und Solarstrom sind Elektrolyseure mit einer Protonenaustauschmembran, kurz PEM-Elektrolyseure. Sie können ihre Leistung schnell an das Stromangebot anpassen.
Doch an der Sauerstoffelektrode liegt ein Problem: Dort herrschen stark saure und oxidierende Bedingungen, die viele Materialien angreifen. Für die schwierige Sauerstoffbildung bei der Wasserspaltung wird deshalb häufig Iridium eingesetzt. Das Edelmetall ist selten und teuer. Zugleich können seine aktiven Partikel im Betrieb verklumpen, übermäßig oxidieren oder sich langsam auflösen.
Forscher des Changchun Institute of Applied Chemistry (CIAC) um Dr. Meiling Xiao haben nun untersucht, wie sich Iridium auch bei hohen Stromdichten besser schützen lässt. Ihr Ansatz kombiniert eine besonders feste Verankerung der Metallpartikel mit einer chemischen Umgebung, die ihren Elektronenzustand während der Reaktion beeinflusst.
Als Träger dient ein sogenannter Hochentropie-Perowskit. Das ist ein kristallines Oxid, in dessen Gitter sich mehrere unterschiedliche Metalle bestimmte Plätze teilen. Neben Iridium enthält das für die Studie entwickelte Material unter anderem Titan, Molybdän, Kobalt und Nickel. Diese Mischung soll zugleich das Kristallgerüst stabilisieren und die elektrischen Eigenschaften beeinflussen.
Durch eine gezielte Wärmebehandlung unter reduzierenden Bedingungen wandert ein Teil des Iridiums aus dem Inneren des Trägermaterials an die Oberfläche. Dort bilden sich winzige Nanopartikel, die mit dem Kristallgerüst eng verbunden bleiben. Anders als nachträglich aufgebrachte Partikel sind sie gewissermaßen im Untergrund verwurzelt und können weniger leicht wandern oder zusammenklumpen.
„Durch die sorgfältige Auswahl dieser Metalle konnten wir strukturelle Stabilität mit der Möglichkeit verbinden, die elektronischen Eigenschaften des Materials während der Reaktion anzupassen und so Iridium vor dem Abbau zu schützen“, erklärt Prof. Hao Li von der Tohoku University.
Wie belastbar der neue Katalysator ist, hat das Team in einer vollständigen PEM-Elektrolyse-Einzelzelle erprobt. Bei einer Stromdichte von zwei Ampere pro Quadratzentimeter arbeitete sie mehr als 3.800 Stunden. Die Forscher beziffern die Verschlechterung der Zellspannung in diesem Zeitraum auf lediglich 2,2 Prozent. Für diese Stromdichte benötigte die Zelle zunächst 1,71 Volt.
Auch unter höherer Belastung hielt der Katalysator lange durch. Bei drei Ampere pro Quadratzentimeter lief eine weitere Versuchszelle mehr als 3.200 Stunden und zeigte eine Spannungsverschlechterung von 4,7 Prozent. Für diese Stromdichte waren zunächst 1,80 Volt nötig. Die Versuche belegen eine hohe Beständigkeit unter den jeweils getesteten Laborbedingungen.
Ein gesonderter Vergleichstest unter anderen Bedingungen zeigte ebenfalls Vorteile. Während bei einem herkömmlichen Iridium-Katalysator innerhalb von 300 Stunden deutliche Verschleißerscheinungen auftraten, blieb die neue Materialkombination über mehr als 650 Stunden weitgehend stabil. Die beiden Testreihen lassen sich wegen ihrer unterschiedlichen Bedingungen allerdings nicht unmittelbar gleichsetzen.