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Neue Elektrode verbessert die Produktion von grünem Wasserstoff
Kontrollierter Umbau statt schleichender Deaktivierung: Eine neu entwickelte Elektrode für die Anionenaustauschmembran-Elektrolyse bildet während des Betriebs selbst eine katalytisch aktive Oberflächenschicht. Das Material erreicht hohe Stromdichten und blieb in Tests über Hunderte Stunden stabil. Der Ansatz könnte helfen, langlebige Elektroden ohne große Mengen teurer Edelmetalle zu entwickeln.
Hefei (China). Grüner Wasserstoff lässt sich mit erneuerbarem Strom durch Wasserelektrolyse herstellen, bei der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. Die Anionenaustauschmembran-Elektrolyse, kurz AEM-Elektrolyse, soll dabei günstigere Werkstoffe alkalischer Systeme mit hohen Stromdichten moderner Membranelektrolyse verbinden. Doch besonders die Sauerstoffentwicklung an der Anode bremst den Prozess, weil sie mehrere gekoppelte Elektronen- und Protonenübertragungen erfordert.
Geeignete Elektroden müssen deshalb zwei gegensätzliche Anforderungen erfüllen: Sie sollen die Sauerstoffentwicklung stark beschleunigen und zugleich unter hoher elektrischer Belastung lange stabil bleiben. Viele Katalysatoren verändern sich jedoch während des Betriebs, verlieren aktive Bestandteile oder lösen sich teilweise auf. Ein neues Material nutzt genau diesen normalerweise unerwünschten Umbau nun gezielt, statt jede chemische Veränderung der Oberfläche verhindern zu wollen.
Forscher der Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences (HFIPS) um Prof. Bin Chen haben dafür eine Hochentropie-Antiperowskit-Elektrode mit der Zusammensetzung InN(NiCoFeCrV)₃ entwickelt. Das Material enthält Nickel, Kobalt, Eisen, Chrom und Vanadium in einer gemeinsamen Kristallstruktur und wächst direkt auf elektrisch leitfähigem Nickelschaum.
Bei Hochentropie-Materialien verteilen sich mehrere Elemente auf strukturell gleichartige Plätze im Kristallgitter, wodurch zahlreiche lokale chemische Umgebungen entstehen. Damit lassen sich elektronische Eigenschaften und Reaktionsverhalten breiter abstimmen als bei einfacheren Zusammensetzungen, während der poröse Nickelschaum Stromleitung und Elektrolytzugang unterstützt. Strukturmessungen zeigten zudem Ladungsverschiebungen zwischen den verschiedenen Metallen, die den späteren Oberflächenumbau begünstigen.
Entscheidend ist, dass die Elektrode während der Sauerstoffentwicklung nicht chemisch unverändert bleibt. Chrom und Vanadium werden kontrolliert teilweise aus der Oberfläche herausgelöst, wodurch dort amorphe Oxyhydroxide entstehen. Nach den In-situ-Analysen bilden diese neu entstehenden Verbindungen die eigentlichen aktiven Phasen für die Sauerstoffentwicklung, während die kristalline Struktur im Inneren weitgehend erhalten bleibt.
Zwischen der halbleitenden Oxyhydroxid-Schicht und dem metallähnlichen Antiperowskit darunter bildet sich eine Mott-Schottky-Grenzfläche mit einem internen elektrischen Feld. Dieses Feld erleichtert den Ladungstransport zur Reaktionszone und kann damit die Sauerstoffentwicklung beschleunigen. Der Materialabbau wird folglich nicht einfach verhindert, sondern in einen kontrollierten Umbau zu einer katalytisch günstigeren Oberfläche überführt.
„Unser Ziel war es, eine langlebige und effiziente Elektrode für die großskalige Wasserstoffproduktion zu entwickeln“, erklärt Prof. Guowen Meng von den Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences (HFIPS).
In 1,0-molarer Kalilauge benötigte die Elektrode bei einer Stromdichte von 100 Milliampere pro Quadratzentimeter eine Überspannung von 279 Millivolt und arbeitete mehr als 500 Stunden stabil. In einer vollständigen AEM-Elektrolysezelle erreichte das System 500 Milliampere pro Quadratzentimeter und hielt diesen Betrieb mehr als 400 Stunden mit nur geringer Leistungsabnahme durch.
„Diese Elektrode zeigte eine ausgezeichnete Leistung bei der Sauerstoffentwicklung und eine langfristige Stabilität bei der AEM-Wasserelektrolyse, womit sie ihr Potenzial für die praktische Wasserstoffproduktion demonstriert“, sagt P