Effektgewinn Neuartige Katalysatoren optimieren die Wasserstoffherstellung

Redakteur: Peter Königsreuther

Wasserstoff kann die Energiewende beflügeln. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist man nun einer effizienteren Möglichkeit auf der Spur, Wasserstoff aus Wasser zu gewinnen.

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Grüner Wasserstoff gilt als Schlüssel für die Energiewende. Ob es klappt, hängt aber vom detaillierten Verständnis der Prozesse bei seiner Herstellung ab, sagt das KIT. Ein neuer Katalysator könnte dabei mehr als nützlich sein.
Grüner Wasserstoff gilt als Schlüssel für die Energiewende. Ob es klappt, hängt aber vom detaillierten Verständnis der Prozesse bei seiner Herstellung ab, sagt das KIT. Ein neuer Katalysator könnte dabei mehr als nützlich sein.
(Bild: P. Armbruster / KIT)

Energie aus Solarmodulen und Windrädern ist der Beginn der Prozesskette, die es ermöglicht, Wasser ohne schädliche Emissionen in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten – und zwar durch Elektrolyse. Weil die Verfügbarkeit der Energie aus erneuerbaren Quellen für die CO₂-neutrale Wasserstoffgewinnung schwanke, sei es sehr wichtig, das Verhalten der zuer Elektrolyse nötigen Katalysatoren unter hoher Auslastung und unter dynamischen Bedingungen zu kennen, sagen die Experten.

Bei hohen Strömen entwickeln sich aber immens viele Sauerstoffblasen an der Anode, was die Messung erschwert und was es bislang nahezu unmöglich machte, ein zuverlässiges Messsignal zu erhalten, erläutert der Erstautor der Studie Dr. Steffen Czioska vom Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) des KIT. Die Kombination verschiedener Techniken soll nun dabei helfen, die Oberfläche des Iridiumoxid-Katalysators unter dynamischen Arbeitsbedingungen grundlegend zu erforschen. „Es ist uns zum ersten Mal gelungen, das Verhalten des Katalysators auf atomarer Ebene trotz starker Blasenentwicklung zu untersuchen“, betont Czioska dazu.

Röntgenabsorptionsspektroskopie mit Plus

Die Karlsruher Forschenden des ITCP, des Instituts für Katalyseforschung und des Instituts für Angewandte Materialien – Elektrochemische Technologien setzen dabei die für die Katalyse einzigartige Röntgenabsorptionsspektroskopie ein, die es erlaubt, Änderungen auf atomarer Ebene besonders präzise zu untersuchen. Das Besondere: Sie haben sie mit weiteren Analysemethoden kombiniert. Und zwar unterstützt nun Synchrotronlicht (extrem einfarbiges Licht) die Untersuchung. „Wir konnten die regelmäßigen Abläufe an der Katalysatorenoberfläche während der Reaktion sehen, weil alles Unregelmäßige herausgefiltert wurde - ähnlich wie bei der Langzeitbelichtung einer nächtlichen Autostraße - und dennoch die dynamischen Vorgänge erkennen“, erklärt Czioska. Die Untersuchung beweise, dass vor allem bei sehr hohen Spannungen und unter dynamischen Bedingungen höchst unerwartete Strukturänderungen aufträten, die im Zusammenhang mit einer Stabilisierung des Katalysators stünden. Das Iridiumoxid löse sich weniger stark auf, das Material bleibe stabil.

Der Weg zu besseren Katalysatoren steht offen

Die Erforschung der Vorgänge an der Katalysatoroberfläche ebne den Weg für die weitere Untersuchung von Katalysatoren bei hohen elektrischen Potenzialen. So könne man dazu beitragen, verbesserte und effizientere Katalysatoren für die Anforderungen der Energiewende zu entwickeln. Die Untersuchung ist übrigens Teil des Schwerpunktprogramms „Dynakat“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft, in dem deutschlandweit über 30 Forschungsgruppen zusammenarbeiten und vom KIT unter Federführung von Professor Jan-Dierk Grunwaldt vom ITCP koordiniert wird.

Grüner Wasserstoff gilt als umweltfreundlicher chemischer Energiespeicher und damit als wesentliches Element der Dekarbonisierung von Branchen wie der Stahl- und Chemieindustrie. Die 2020 vom Bundeskabinett beschlossene Nationale Wasserstoffstrategie sieht in der verlässlichen, bezahlbaren und nachhaltigen Erzeugung von Wasserstoff die Basis für dessen zukünftige Verwendung.

Die American Chemical Society (ACS) stuft die Bedeutung der Veröffentlichung aus dem KIT übrigens für die internationale Wissenschaftsgemeinschaft so hoch ein, dass sie sie mit dem ACS Editor‘s Choice ausgezeichnet hat.

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