Etwas Silber steigert die Produktionsrate von grünem Wasserstoff

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Außerordentliche Publikation in ‚Angewandte Chemie‘ zu hochaktuellem Thema

Ein Team von Wissenschaftlern am Mülheimer Chemistry Campus (MPI für Kohlenforschung + MPI für Chemische Energiekonversion) stellt die Möglichkeit von Elektrokatalysatoren auf der Basis von aktivem Kobaltoxid mit Silberkupplung vor und bahnt somit den Weg zur effektiveren Produktion von grünem Wasserstoff – dem nachhaltigen „Öl“ von morgen – davon berichtet eine eine Medienmitteilung auf den Internetseiten der beiden Max-Planck-Institute.

Die Einführung verschiedener Technologien für Erneuerbare Energien ist die ultimative Lösung für die Krise der fossilen Brennstoffe und den Klimawandel in unserer Generation. Eine der vielversprechendsten Erneuerbaren Energietechnologien ist die Wasserelektrolyse zur Herstellung von grünem Wasserstoff, der als das saubere „Öl“ von morgen bezeichnet wird.

Die Förderung von grünem Wasserstoff im Energiesystem wie auch in der chemischen Industrie findet in vielen Ländern der Welt statt. Dazu gehört auch Deutschland: Die deutsche Bundesregierung hat kürzlich eine neue Nationale Wasserstoffstrategie veröffentlicht und einen Nationalen Wasserstoffrat eingerichtet. „Damit schaffen wir Arbeitsplätze für viele junge Menschen, stärken die Technologieführerschaft Deutschlands und tragen dazu bei, die internationalen Klimaziele zu erreichen“, sagte Gerd Müller, Bundesminister für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung.

Die Wasserelektrolyse besteht aus zwei Halbreaktionen, bei denen an der Kathode und an der Anode jeweils Wasserstoff und Sauerstoff entstehen. Die Anodenreaktion, die Sauerstoff-Evolutions-Reaktion (OER), ist kinetisch anspruchsvoller und benötigt daher im Vergleich zur anderen Hälfte der Reaktion, der Wasserstoff-Evolutions-Reaktion, wesentlich mehr elektrische Energie. Die meisten Benchmarking-OER-Katalysatoren basieren auf Edelmetallen, wie Iridium- und Rutheniumoxiden.

Die Knappheit und die hohen Kosten von Edelmetallen behindern ihre praktische Anwendung, insbesondere in einem Maßstab, der die globale Versorgung mit Erneuerbarer Energie betrifft. Eine alternative Lösung besteht darin, OER-Katalysatoren unter Verwendung von Metallen zu entwickeln, die reichlich vorhanden sind, ohne die katalytische Aktivität zu beeinträchtigen.

Mingquan Yu, Doktorand in der Forschungsgruppe von Priv.-Doz. Harun Tüysüz am MPI für Kohlenforschung und Rebeca Gomez Castillo, Doktorandin in der Abteilung Anorganische Spektroskopie von Prof. Serena DeBeer am MPI CEC, sind beide Studierende der  International Max Planck Research School on Reactive Structure Analysis for Chemical Reactions (IMPRS RECHARGE) und haben gemeinsam mit weiteren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern beider Mülheimer Max-Planck-Institute wie zum Beispiel Priv. Doz. Claudia Weidenthaler eine Studie im Rahmen des Collaborative Research Centre/TRR 247 im Journal ‚Angewandte Chemie‘ als „VIP“ (Very Important Paper) veröffentlicht.

 

Mitglieder der Tüysüz-Forschungsgruppe haben sich auf den Entwurf und die Entwicklung von Oxiden auf Kobaltbasis als vielversprechende OER-Katalysatoren zur Beschleunigung der Wasserstoffproduktion konzentriert. Das institutsübergreifende Team zeigte die vorteilhafte Rolle von Silber auf die OER-Aktivität von Kobaltoxiden. Sie stellten fest, dass Silber zweifach vorhanden ist und eine doppelte Rolle auf dem Kobaltkatalysator spielt:

  1. metallische Silbernanopartikel, eingebettet in geordnetes mesoporöses Kobaltoxid, erhöhen die Leitfähigkeit des Elektrokatalysators, und
  2. ultrakleine Silberoxidcluster (~ 2 nm) auf der Oberfläche verursachen die elektrochemische Aktivierung durch Aufnahme von Eisenverunreinigungen aus dem KOH-Elektrolyten.

Aufgrund der Synergie dieser beiden Silberspezies bewirkt die Zugabe von etwas Silber (weniger als 4 at. %) eine mehr als zweifache Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit, indem eine katalytische Stromdichte von 211 mA/cm2 bei 1,7 V im Vergleich zu reinem Kobaltoxid (102 mA/cm2) erreicht wird. Diese Studie schlägt nicht nur einen direkten Weg vor, Elektrokatalysatoren auf der Basis von aktivem Kobaltoxid mit Silberkupplung für die Erzeugung von grünem Wasserstoff zu konstruieren, sondern liefert auch experimentelle Beweise für die aktive Rolle von Eisenspezies, die aus KOH-Elektrolyt stammen.

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