Wasserstoff ist ein vielversprechender Energieträger zur Dekarbonisierung unserer Gesellschaft. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen erzeugt seine Verwendung als Treibstoff kein Kohlendioxid. Dennoch stammt der Großteil des heute produzierten Wasserstoffs aus einem Prozess, der erhebliche CO2-Emissionen verursacht. Um grünen Wasserstoff zu erzeugen, sind nachhaltigere Alternativen erforderlich.
Die Wasserelektrolyse ist eine potenzielle Methode zur Herstellung von grünem Wasserstoff unter Verwendung erneuerbarer Energien. Dieses Verfahren basiert auf Katalysatoren an der Anode und der Kathode, um die Zersetzung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu beschleunigen. Unter den verschiedenen Elektrolysetechnologien ist die Protonenaustauschmembran (PEM) aufgrund ihrer hohen Energieeffizienz und hohen Produktionsraten besonders vielversprechend.
Traditionell erfordert die Wasserelektrolyse, insbesondere die PEM-Technologie, Katalysatoren auf der Basis seltener Elemente wie Platin und Iridium. Diese Materialien sind zwar leistungsfähig, bergen aber Kosten- und Verfügbarkeitsprobleme, insbesondere Iridium, eines der seltensten Elemente der Erde. Die Suche nach Alternativen zu diesen Materialien ist daher von großer Bedeutung.
Das Team des ICFO hat diese Herausforderung angenommen und einen neuen Katalysator auf Kobalt-Basis entwickelt, ein reichlich vorhandenes und wirtschaftliches Metall. Ihr innovativer Ansatz basiert auf der Nutzung der Eigenschaften von Wasser zur Stabilisierung des Katalysators. Durch die Integration von Wasser und Wasserfragmenten in die Katalysatorstruktur gelang es ihnen, seine Stabilität in den sauren Umgebungen, die in PEM-Elektrolyseuren typisch sind, zu verbessern.
Dieser Fortschritt wurde durch einen Prozess namens Delamination ermöglicht. Durch die Behandlung eines Kobalt-Tungsten-Oxids mit basischen wässrigen Lösungen konnten die Forscher die Tungstenoxide durch Wassermoleküle und Hydroxylgruppen ersetzen. Dieses neue Material zeigte bemerkenswerte Leistungen in Bezug auf Stabilität und Aktivität unter industriellen Bedingungen mit hoher Stromdichte.
Die Ergebnisse dieser Forschung wurden in Science veröffentlicht und betonen die Zusammenarbeit zwischen dem ICFO und mehreren renommierten Institutionen, darunter das Institut de Recherche Chimique de Catalogne (ICIQ), das Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), das Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Diamond Light Source und das Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB).
Dr. Lu Xia, Hauptautor der Studie, unterstreicht die Bedeutung dieser Entdeckung: "Wir haben eine Stromdichte von 1 A/cm² erreicht, ein bedeutender Meilenstein, mit über 600 Stunden Stabilität bei dieser Dichte. Das ist ein wichtiger Fortschritt für Katalysatoren ohne Iridium."
Obwohl diese Entdeckung einen wichtigen Schritt in Richtung Industrialisierung der grünen Wasserstoffproduktion darstellt, bestehen weiterhin Herausforderungen, insbesondere die Lebensdauer des Katalysators und die Optimierung der Materialien. Das Team arbeitet bereits an Alternativen auf Nickel- und Manganbasis, um die Leistung und Haltbarkeit weiter zu verbessern.
Durch die Anmeldung eines Patents für diese neue Technologie hoffen die Forscher, ihre industrielle Anwendung zu beschleunigen und damit zur Dekarbonisierung unserer Gesellschaft und zum Übergang zu saubereren erneuerbaren Energien beizutragen.