Wie ein EU-Projektteam die Regeln der Wasserstoffelektrolyse umschrieb
Die Erzeugung von Wasserstoff mittels Wasserelektrolyse könnte die Art und Weise, wie Energie aus erneuerbaren Quellen gespeichert und transportiert wird, revolutionieren. Bei den heute üblichen Protonenaustauschmembran-Elektrolysezellen (PEMEC), die Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten, besteht eine starke Abhängigkeit von teuren Materialien und gibt es Probleme mit der Langzeitleistung. Das Team des EU-finanzierten Projekts Thin-CATALYzER(öffnet in neuem Fenster) hat eine innovative Katalysatorschichtarchitektur entwickelt, die eine Kombination aus Kohlenstoffnanofasern, ultradünnen Keramikschichten und katalytischen Nanopartikeln vorsieht. Mit diesem neuen Design wird die Effizienz verbessert und die Abhängigkeit von kritischen Materialien reduziert.
Neue Katalysatorarchitektur optimiert Leistung
Das Thin-CATALYzER-Team entwickelte eine Kern-Schale-Katalysatorschicht aus Kohlenstoffnanofasern, die mit einer ultradünnen Keramikschicht aus Titanoxynitrid (TiON) beschichtet ist. Darüber hinaus sorgt eine feine Dispersion von Iridiumnanopartikeln für die Steigerung der katalytischen Leistung. „Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von Niedertemperaturelektroden, die in wässrigen Elektrolyten arbeiten, ist der relativ hohe technologische Reifegrad“, erklärt Projektkoordinator Federico Baiutti. „Mit Thin-CATALYzER haben wir das Potenzial der Kombination aus Methoden zur Dünnschichterzeugung mit der traditionellen chemischen Synthese erkundet, um eine andere technologische Perspektive zu finden und neue Wege für weitere Fortschritte auf diesem Gebiet zu eröffnen.“ Die keramische Beschichtung gewährleistet die elektrische Leitfähigkeit und den Schutz vor Korrosion, während mittels Elektrospinnen(öffnet in neuem Fenster) (einem skalierbaren, für industrielle Anwendungen geeigneten Verfahren) schnell und effizient Kohlenstofffaserträger hoher Qualität erzeugt werden können.
Langlebigkeit und Materialeffizienz in den Griff bekommen
Die Reduzierung der Menge an kritischen Rohstoffen wie Iridium ist zwar von entscheidender Bedeutung, stellt aber auch eine Herausforderung dar, wenn es darum geht, die Materialeffizienz mit der langfristigen katalytischen Leistung in Einklang zu bringen. Nanostrukturierte Katalysatoren funktionieren besser, weil sie eine größere Oberfläche aufweisen, aber sie können einem beschleunigten Abbau unterliegen oder verklumpen, wenn sie harten elektrochemischen Bedingungen ausgesetzt sind. Baiutti betont, dass kontinuierliche Optimierung von zentraler Bedeutung sei: „Das Gleichgewicht zwischen Materialeffizienz und langfristiger katalytischer Leistung bleibt eine zentrale Herausforderung auf diesem Gebiet. Um dieses Gleichgewicht zu erreichen, müssen Syntheseverfahren, Trägermaterialien und Schutzstrategien ständig optimiert werden.“ Um die Stabilität zu verbessern, wurde im Rahmen des Projekts die Einbindung von Dotierstoffen untersucht, um die Oxidation des Trägers zu verhindern, und es wurden intelligente Designstrategien eingesetzt, um unter realen Betriebsbedingungen eine gute Katalysatorleistung zu gewährleisten.
Vom Durchbruch im Labor zur industriellen Relevanz
Während der Projektarbeit arbeitete das Team mit Partnern aus der Industrie zusammen, um die Marktfähigkeit seiner Innovationen zu bewerten. Dabei wurde deutlich, wie wichtig Skalierbarkeit und langfristige Zuverlässigkeit sind, wobei hervorgehoben wurde, wie groß die Diskrepanz zwischen den Ergebnissen im Labor und den Anforderungen der Industrie ist. „Damit Innovation tatsächlich etwas bewirkt, muss eine einfache und skalierbare Fertigungsroute sowie eine hohe langfristige Leistung und Zuverlässigkeit gewährleistet sein“, zeigt sich Baiutti überzeugt. „Eine Stärkung der Verbindungen zwischen Wissenschaft und Industrie wäre äußerst vorteilhaft, um Bedürfnisse und Bemühungen aufeinander abzustimmen.“ Die Vielseitigkeit des Thin-CATALYzER-Konzepts öffnet Türen über die Elektrolyse hinaus. Weitere elektrochemische Bauelemente mit niedrigen Temperaturen wie Polymer- Brennstoffzellen und Batterien könnten profitieren. Mittels Anpassung der Materialkombinationen könnte diese Technologie die Entwicklung sauberer Energiespeicher- und -umwandlungssysteme erheblich voranbringen. Mit diesem innovativen Katalysatordesign hat das Team von Thin-CATALYzER die Voraussetzungen für nachhaltigere und effizientere Wasserstofferzeugungstechnologien geschaffen und somit den Übergang Europas zu einer umweltfreundlicheren Wirtschaft unterstützt.
