Edelmetall-Comeback Freiberger Forschern gelingt Recycling von Edelmetallen aus Elektrolyseuren

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Wasserstoff mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen zu gewinnen, gilt als Schlüssel zur Energiewende. Für die Reaktion sind Edelmetalle Katalysatoren notwendig. Deren Recycling wurde nun verbessert.

Weil die teuren Edelmetalle, wie Platin, Iridium oder Ruthenium, in Elektrolysezellen noch nicht vollständig durch andere ähnlich effiziente Materialien ersetzt werden können, besteht der Zwang, sie verlustfrei zurückzugewinnen – idealerweise umweltschonend, erklären Forscher der Technischen Universität Bergakademie Freiberg. Der Fokus des betreffenden Teams liegt dabei auf sogenannten hydrometallurgischen Recyclingmethoden. Dabei wird das Katalysator-Material in eine wässrige Lösung überführt und im Anschluss als Salz oder Metall in fester und möglichst reiner Form zurückgewonnen. Die Rückgewinnung der verschiedenen Edelmetallschichten der Katalysatoren, den Herzstückstücken von Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseuren (PEM-Elektrolyseur), ist bisher energieintensiv und nicht gerade umweltfreundlich, merken die Forscher dabei an. Das sollte sich ändern.

Effiziente Recyclingmethode für Edelmetall Ruthenium patentiert

Im Projekt „Recycalyse“ verfolgten die Freiberger deshalb einen Recyclingprozess, bei dem die Katalysatorschichten von der fluorhaltigen Membran getrennt werden, erklärt Dr. Lesia Sandig-Predzymirska, die als wissenschaftliche Mitarbeiterin am Projekt beteiligt ist. Die Edelmetalle der vorkonzentrierten Katalysatorschichten könnten dann mit milderen und umweltschonenderen Laugungsmitteln recycelt werden. So würden Ausgangsstoffe hergestellt, die direkt für die Produktion neuer Elektrokatalysatoren verwendet werden könnten, um den Materialkreislauf zu schließen.

Ein neu entwickelter Katalysator aus Iridium und Ruthenium erwies sich dabei als der effizienteste für die Sauerstoff-Entwicklungsreaktion auf der Anodenseite der Zelle. Als Trägermaterial für die Edelmetalle fungiert ein mit Antimon dotiertes Zinnoxid statt Kohlenstoff. Die Forscher haben ein hydrometallurgisches Verfahren zur Rückgewinnung von Ruthenium entwickelt und patentiert, bei dem günstigere Chemikalien eingesetzt werden können, um die für die Industrie wertvollen Rutheniumkomplexe effizient zu gewinnen, so die Forscher. Rutheniumkomplexe werden aber nicht nur in der chemischen Industrie für die Herstellung von Katalysatoren verwendet, sondern auch in vielen anderen Bereichen, wie der Elektronikindustrie, der Medizin, der Biologie, den Nanowissenschaften und der Solarzellenherstellung.

Zusammen mit einem neu entwickelten Trennverfahren der einzelnen Metallionen erreichte das Team eine Metallrückgewinnungsquote von über 90 Prozent.

Kleiner Exkurs zur Funktionsweise von PEM-Elektrolysezellen:

Eine dünne Membran in der Mitte der PEM-Elektrolysezelle ist für Protonen (H+) durchlässig, verhindert jedoch den Transport von Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂). Diese Membran wird mit einem Anoden- und gegenüber mit einem Kathodenkatalysator beschichtet. Die Schicht besteht aus dem Katalysator, auf dem ein Trägermaterial appliziert ist, das für eine gleichmäßige elektrochemische Reaktion mit einem ionenleitenden plastischen Kunststoff (Ionomer) sorgt. Sobald eine elektrische Spannung an die Elektroden angelegt wird, bildet sich Wasserstoff an der Kathode und Sauerstoff an der Anode. Zuerst wird auf der Anodenseite Wasser zugeführt, dann zersetzt die katalytische Wirkung des Edelmetallkatalysators das Wassers. Es entstehen Sauerstoff, Elektronen (e-) und Protonen (H+). Die Protonen fließen durch die protonenleitende Membran zur Kathodenseite, wo sie mit den Elektronen dann den gewünschten Wasserstoff erzeugen.

Forscher entwickeln die Wasserstoffelektrolyse weiter

Weil die Speicherung des durch Elektrolyse gewonnenen Wasserstoffs ein wichtiger Baustein für die Energiewende sei, stünden die Elektrodenmaterialien aktuell im Fokus der Forschung. Außer der Effizienz und Verfügbarkeit der Materialien konzentriert sich das Projekt „Recycalyse“ dabei besonders auf deren Recycelbarkeit im Sinne der Kreislaufwirtschaft. Es wird vom Dänischen Technologischen Institut geleitet und von neun weiteren Partnern (TU Bergakademie Freiberg, Fraunhofer ICT, Sustainable Innovations, TWI, Blue World Technologies, Universität Bern, Prüfrex, Hycenta Research GmbH und Accurec) getragen. Noch bis Ende September 2023 wird „Recycalyse“ mit insgesamt 5,5 Millionen Euro aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union im Rahmen der Zuschussvereinbarung Nr. 861960 unterstützt.

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