Graues Gold Nickelsilizid als idealer Katalysator für die Wasserstoffgewinnung

Quelle: Pressemitteilung des Helmholtz-Zentrums Berlin

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Die elektrische Energie aus Wind- oder Sonnenkraft lässt sich als chemische Energie in Wasserstoff speichern, einem idealen Energieträger. Doch dazu braucht es effiziente Katalysatoren.

Nanostrukturiertes Nickelsilizid ist jetzt die große Hoffnung auf mehr Ausbeute bei der Gewinnung von grünem Wasserstoff. Denn das Mineral hat sich als schlagkräftige Substanz für entsprechende Katalysatoren herauskristalliesiert, wie das Helmholtz-Zentrum in Berlin sagt.
Nanostrukturiertes Nickelsilizid ist jetzt die große Hoffnung auf mehr Ausbeute bei der Gewinnung von grünem Wasserstoff. Denn das Mineral hat sich als schlagkräftige Substanz für entsprechende Katalysatoren herauskristalliesiert, wie das Helmholtz-Zentrum in Berlin sagt.
(Bild: M. Survat)

Die Voraussetzung dafür, dass Wasserstoff mit regenerativen Energien wirtschaftlich herstellbar ist, ist die effiziente Elektrolyse von Wasser mit möglichst günstigen Katalysatoren. Nanostrukturiertes Nickelsilizid kann die Effektivität bei der Sauerstoffentwicklungsreaktion an der Anode (Pluspol) deutlich steigern, wie Forscher am Helmholtz-Zentrum in Berlin (HZB) herausgefunden haben. Dies bewies man zusammen mit der Technischen Universität Berlin und der Freien Universität Berlin im Rahmen der Forschungsplattform Catlab unter anderem auch anhand von Messungen am Bessy II (Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung m.b.H.).

Bisherige Katalysatormaterialien sind zu teuer

Was eine Elektrolyse ist, dürften viele noch aus dem Chemieunterricht kennen. Dabei braucht es zwei Elektroden, die eine Salzlösung, oder hier speziell in Wasser, getaucht und unter Spannung gesetzt werden. Bald steigen an den Elektroden Gase auf. An der Anode bildet sich Sauerstoffgas, an der Kathode entstehen Wasserstoffblasen. Mithilfe der Elektrolyse könnte Wasserstoff außerdem CO2-neutral hergestellt werden, vorausgesetzt, der benötigte Strom wird durch Sonne oder Wind erzeugt, wie die Berliner erklären. Allerdings seien diese Reaktionen bisher wenig effizient und extrem langsam. Um sie zu beschleunigen, werden katalytisch aktive Materialien bisher aus teuren Edelmetallen wie Platin, Ruthenium oder Iridium eingesetzt. Für einen großtechnischen Einsatz müssten solche Katalysatoren jedoch aus weithin verfügbaren, also sehr billigen Substanzen bestehen.

Der sanftere Weg zum nickelbasierten Katalysator

Um die Sauerstoffentwicklungs-Reaktion an der Anode zu beschleunigen, setzen Experten auf Materialien auf Nickelbasis. Denn Nickel ist korrosionsbeständig, kaum toxisch und zudem preiswert. Um Katalysatormaterialien auf Nickelbasis herzustellen, setzte man bis dato meist auf energieintensive Hochtemperaturverfahren. Ein Forscherteam hat nun einen sanfteren, weil chemischen, Weg zur Herstellung entdeckt. Damit kann ein effizienter Katalysator auf Basis von intermetallischen Nickel-Silizium-Nanokristallen hergestellt werden. Dazu hat man das Element Nickel mit Silizium, dem zweithäufigsten Element in der Erdkruste, kombiniert und über eine chemische Reaktion eine Nanostrukturierung erreicht, wie die Experten beschreiben. Das daraus resultierende Material habe nachweislich hervorragende katalytische Eigenschaften.

Doppelschlag: Wasserstoff und gleichzeitig Nitrilverbindungen herstellen

Das kristalline Ni2Si Katalysatormaterial diente, wie es weiter heißt, als Präkatalysator für die alkalische Sauerstoffentwicklungs-Reaktion an der Anode. Unter Betriebsbedingungen bildete sich an der Oberfläche Nickel(oxy)hydroxid als aktiver Katalysator. Bemerkenswert sei auch, dass die Wasserelektrolyse mit einer organischen Oxidationsreaktion gekoppelt ist, bei der durch Elektrosynthese auch gleich noch industriell wertvolle Nitrilverbindungen entstehen. Solche elektrosynthetischen Methoden könnten die Wasserstofferzeugung an der Kathode steigern und gleichzeitig den Zugang zu wertvollen Industrieprodukten an der Anode ermöglichen.

Nickelbasierter Katalysator bleibt auf lange Sicht stabil

Im Vergleich zu modernen Katalysatoren auf Nickel-, Kobalt-, Eisen-, Ruthenium- und Iridiumbasis ist das nanoporöse Ni2Si nach Erkenntnis der Berliner Forscher wesentlich aktiver und bleibt unter industriellen Bedingungen über längere Zeit stabil. Um das Verhalten des Materials genauer zu verstehen, kombinierte das Team verschiedene Messmethoden, darunter Elementaranalysen, Elektronenmikroskopie und moderne spektroskopische Messungen bei Bessy II. In Zukunft könnten sogar industrielle alkalische Wasserelektrolyseure mit einer Beschichtung aus diesem nanoporösen Nickelsilizd ausgestattet werden.

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