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Nanomaterial macht Produktion von grünem Wasserstoff effizienter
Die Herstellung von grünem Wasserstoff braucht geeignete Katalysatoren, doch leistungsfähige Materialien enthalten oft teure Edelmetalle. Nun haben Forscher zwei neue Nanoverbundstoffe auf Eisen- und Nickeloxidbasis erprobt. Obwohl Nickel bei den einzelnen Reaktionsschritten besser abschnitt, benötigte der Eisen-Verbund im Elektrolyse-Prototyp weniger elektrische Spannung. Ein industrieller Einsatz ist bisher nicht nachgewiesen.
Bhopal (Indien). Bei der Elektrolyse zerlegt elektrischer Strom Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Wird dafür Strom aus erneuerbaren Energien verwendet, lässt sich auf diese Weise grüner Wasserstoff erzeugen. Die chemischen Teilreaktionen laufen allerdings nicht von allein mit ausreichender Geschwindigkeit ab. Deshalb benötigen die Elektroden Katalysatoren, die den zusätzlichen Energieaufwand begrenzen.
Besonders wirksame Materialien enthalten häufig Edelmetalle wie Platin oder Ruthenium. Günstigere Alternativen aus häufig vorkommenden Metallen könnten die Elektrolyse wirtschaftlicher machen. Unklar ist jedoch, ob ein Katalysator, der bei einzelnen Reaktionen gute Werte erreicht, auch in einer vollständigen Elektrolysezelle überzeugt.
Forscher des CSIR-Advanced Materials and Processes Research Institute (CSIR-AMPRI) um Dr. Shiv Singh haben nun Verbundstoffe mit Eisenoxid beziehungsweise Nickeloxid untersucht. Sie wollten herausfinden, ob sich beide Materialien auf einer leitfähigen Nanostruktur für die Wasserstoff- und Sauerstoffbildung zugleich eignen.
Grundlage war ein sogenanntes MXen aus Titan und Kohlenstoff. Diese zweidimensionalen Schichten leiten elektrischen Strom gut, können sich aber übereinanderlagern und oxidieren. Beides erschwert den Ladungstransport. Um die Oberfläche besser nutzbar zu machen, ließen die Forscher Kohlenstoffnanofasern direkt auf den MXen-Schichten wachsen.
Dafür nutzte das Team die chemische Gasphasenabscheidung, bei der sich Kohlenstoff aus einem gasförmigen Ausgangsstoff auf dem Träger ablagert. Auf den Nanofasern bildeten sich Partikel aus Eisenoxid oder Nickeloxid. Mikroskopische und spektroskopische Analysen zeigten, dass die Fasern über die Schichten verteilt waren und die geschichtete Grundstruktur erhalten blieb.
Anschließend prüfte das Team beide Katalysatoren in alkalischer Kalilauge zunächst getrennt für die Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklung. Für die Wasserstoffbildung benötigte der Nickel-Verbund bei zehn Milliampere pro Quadratzentimeter eine Überspannung von 490 Millivolt, der Eisen-Verbund dagegen 520 Millivolt. Diese Überspannung bezeichnet die zusätzlich zur theoretisch erforderlichen Spannung benötigte elektrische Antriebskraft.
Auch bei der Sauerstoffbildung schnitt Nickel besser ab. Der Nickel-Katalysator benötigte dafür 300 Millivolt Überspannung, die Eisenvariante 360 Millivolt. Damit näherte sich Nickel dem Vergleichsmaterial Rutheniumoxid, das bei derselben Stromdichte 250 Millivolt benötigte. Bei der Wasserstoffentwicklung war Platin mit 70 Millivolt hingegen weiterhin deutlich leistungsfähiger.
Für den nächsten Versuch verwendeten die Wissenschaftler den jeweiligen Verbundstoff an beiden Elektroden eines kleinen Elektrolyse-Prototyps. Dabei ergab sich ein anderes Bild als in den Einzeltests. Mit dem Eisen-Verbund erreichte die Zelle zehn Milliampere pro Quadratzentimeter schon bei 2,2 Volt, während die Nickelvariante dafür 2,7 Volt benötigte.
Der Vorteil des Eisenmaterials betrug unter diesen Bedingungen somit 0,5 Volt. Als mögliche Erklärung vermutet das Team, dass Eisen die kurzlebigen Zwischenprodukte bei der Sauerstoffbildung günstiger beeinflusst. Ein abschließender Nachweis für diesen Mechanismus liegt mit den vorgestellten Messungen allerdings nicht vor.