Billiger zur Energiewende Forscher decken neue Details der Wasserstoffelektrolyse auf

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Forscher am Fritz-Haber-Institut (FHI) der Max-Planck-Gesellschaft haben mit atomar definierten Modellanoden experimentiert, um die elektrokatalytischen Wasserspaltung zu untersuchen ...

Die Produktion von sogenannter grüner Energie ist eine entscheidende Komponente, bestehende Probleme unserer Zeit zu lösen. Die Energieerzeugung muss nach Erkenntnis der Wissenschaftler am FHI jedoch von wirtschaftlichen Speicher- und Transportmethoden begleitet werden. Grüner Wasserstoff, also H₂ der aus erneuerbaren Energien gewonnen wurde, dient dabei sowohl als Speichermedium als auch als Transportmittel. Er kann deshalb in andere nützliche industrielle Produkte und Energieträger – wie etwa Ammoniak – umgewandelt wird. Bei seiner Gewinnung wird aus Wasser in einer elektrokatalytischen Zelle molekularer Wasserstoff an der Kathode erzeugt, während sich an der Anode molekularer Sauerstoff bildet.

Die Sauerstoffproduktion an der Anode ist aber ein komplexer mehrstufiger Prozess, der es schwierig macht, energieeffiziente Anoden zu entwerfen, sagen die Forscher. Deshalb konzentriere sich ein Großteil der Forschung zur Wasserspaltung auf die Anode und nicht auf die Kathode. In industriellen Elektrolyseuren sind die Anoden kompliziert strukturiert und chemisch sehr komplex zusammengesetzt, was problematisch für ein grundlegendes Verständnis der Elektrolyseprozesse ist, wie es weiter heißt. Ein wirklich relevante Information sei in den Messdaten nur schwer zu isolieren. Um das zu ändern, hat man in der Abteilung Interface Science am FHI einen experimentellen Ansatz entwickelt, bei dem die komplexe Anode durch ein einfacheres Modellsystem ersetzt wird. Folgende Vorteile verspricht man sich davon:

Mit der Modellanode der Sauerstoffentstehung auf der Spur

Die Idee basiert auf einer Modellanode aus einem wohldefinierten kristallinen, dünnen Oxidfilm, der eine kontrollierte Variationen seiner ursprünglichen Zusammensetzung und Struktur ermöglicht. Um dabei eine höchstmögliche Reinheit sicherzustellen, werden die Anoden unter Ultrahochvakuum-Bedingungen hergestellt. Bei allen nachfolgenden Studien wird außerdem vermieden, die Proben der Umgebungsluft auszusetzen. Dieses strikte Vorgehen schütze die Anode vor Kontamination und daraus resultierenden problematischen Auswirkungen auf die Qualität der experimentellen Daten. Die genaue Kenntnis der Anodeneigenschaften bis hin zur atomaren Struktur ist dabei ein zentraler Aspekt des Ansatzes, wie man erfährt. Der Schwerpunkt liege darauf, zentrale Aspekte der Wasserspaltungskatalyse zu untersuchen, was auch mechanistische mikroskopische Details der Sauerstoffbildung mit einschließe. Auch die aktiven Zentren, die Elektrodenalterung und der Einfluss der Struktur und Zusammensetzung der Anode auf die Leistung des Elektrolyseurs werden dabei betrachtet. Es sei auch schon klar, dass sich unter Reaktionsbedingungen eine Oxyhydroxidschicht auf der Anodenoberfläche bilde, aber die Eigenschaften dieser Schicht sowie die optimale Struktur, Dicke und Zusammensetzung noch unbekannt sei. Es ist jedoch allgemein akzeptiert, dass eine strukturelle Transformation während der O₂-Produktion stattfindet, die zu ähnlichen Resultaten führt, was unabhängig von der ursprünglichen Struktur der Anode geschieht, wie das FHI erklärt. Andererseits konnte gezeigt werden, die ursprünglichen Eigenschaften der Anode die Transformation während des Betriebs und letztendlich die Langzeitaktivität und Stabilität des Elektrolyseurs bestimmen.

Effekte durch Eisenzugabe schaffen stabile und aktive Anoden

Es ist außerdem nicht neu, dass die Zugabe von Eisen zu Anoden aus Kobaltoxid die Leistung derselben signifikant verbessert. Der zugrunde liegende Mechanismus wird aktuell aber noch diskutiert. Ein umfassendes Verständnis der spezifischen Rolle des Eisens sei aber entscheidend für die Optimierung von Reaktionsumsatzes solcher Anoden. Mit dem Ziel, Beiträge zum Verständnis der Rolle des Eisens zu liefern führten die Forscher eine Studie an dünnen kristallinen Eisen-Kobalt-Mischoxidanoden mit verschiedenen Konzentrationsverhältnissen von Eisen und Kobalt durch. Die einfache Struktur der Modellanoden und ihre strikt definierte chemische Zusammensetzung ermöglichte es dabei, eine quantitative Beziehung zwischen dem Umsatz bei der Sauerstoffbildung und der Zusammensetzung und der Struktur des Oxids herzustellen, wo der gewünschte Effekt der Eisenzugabe offensichtlich wurde. Stabilitätsstudien zeigten weitere zeitabhängige Umsatzverbesserungen, die auf die Auflösung des Eisens im Elekrolyten zurückzuführen sind, wie es weiter heißt. Letztendlich führe das dazu, dass sich eine stabile und hochaktive Anode bilde.

Forschung für günstigere Fertigung und Betrieb von Elektrolyseuren

Die Studie will Erkenntnisse liefern, die helfen, die Kosten für die Herstellung und den Betrieb von Elektrolyseuren zu verringern. Die Kostensenkung durch die Umstellung auf alkalische Reaktionsbedingungen und die Verwendung von leicht verfügbaren, preisgünstigen Materialien sind dabei entscheidend für die Verbreitung einer auf (grünem) Wasserstoff basierenden Energieversorgung. Die derzeitige Elektrolysetechnologie verwendet aber bekanntlich teure Metalle, wie Iridium und Platin für die energieeffiziente Elektrolyse. Der Ersatz dieser teuren Metalle durch die günstigeren Kobalt- und Eisenoxide würde die Gesamtkosten der Wasserspaltung aber deutlich senken und die wirtschaftliche Attraktivität dieses Prozesses erhöhen. Die elektrische Effizienz ist dabei ein weiterer entscheidender Kostenfaktor, der von Details der chemischen Zusammensetzung und Struktur der Elektroden abhängt, heißt es. Diese Studie zielt also darauf ab, das Verständnis der Zusammenhänge zwischen den Elektrodeneigenschaften und ihrer Leistungsfähigkeit zu vertiefen, um die Herstellung von hocheffizienten und günstigeren Elektroden zu erreichen.

Diese Forschung wurde übrigens im Rahmen des von der DFG geförderten Transregio-247-Projekts durchgeführt und auch vom BMBF-Projekt Catlab unterstützt. Die Ergebnisse dieser Studie wurden bereits in Nature Communications veröffentlicht.

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