Bei der Elektrolyse entstehende Gasbläschen lösen sich dank der superaerophoben Nickel-Nanostäbchen schneller von der reaktiven Oberfläche ab. Grafik: Postech
Die Wasserelektrolyse ist eine umweltfreundliche Technologie, mit der Wasserstoffgas ohne Emission von Umweltschadstoffen hergestellt wird. Ihre Grenzen liegen in der geringen Effizienz der Wasserstoffproduktion und den hohen Herstellungskosten.
Kürzlich veröffentlichte ein Forscherteam der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) eine Forschungsarbeit, die beide Probleme auf einmal löste und für Aufsehen sorgte.
Interdisziplinäres Team
Einem gemeinsamen Forschungsteam, bestehend aus Professor Jong Kyu Kim, Doktorand Jaerim Kim, Professor Yong-Tae Kim und Doktor Sang-Mun Jung vom Fachbereich Materialwissenschaften und Ingenieurwesen der POSTECH, ist es gelungen, einen wirtschaftlichen und effizienten Katalysator für die Wasserelektrolyse zu entwickeln. Er überwindet die Grenzen herkömmlicher Katalysatoren, indem er eine Schrägwinkelabscheidungsmethode und Nickel (Ni) verwendet. Die Forschungsarbeit wurde für ihre Exzellenz anerkannt und in der internationalen Fachzeitschrift Advanced Materials als Artikel auf der Titelseite veröffentlicht.
Nickel ersetzt Edelmetall
Bei den Wasserelektrolyseverfahren werden teure Edelmetalle wie Platin und Iridium als Katalysatoren für die Wasserstofferzeugung eingesetzt, was den Prozess übermäßig kostspielig macht. Außerdem trennen sich Wasserstoffgasblasen häufig nur unzureichend von herkömmlichen Dünnschichtkatalysatoren ab. Das verstopft die aktiven Stellen des Katalysators führt und behindert die Bewegung der Reaktanten. Das beeinträchtigt letztlich die Effizienz des Prozesses.
Als Antwort auf diese Herausforderungen entschied sich das Forschungsteam für die Schrägwinkelabscheidung und Nickel. Bei dieser Technik wird das Substrat während der Abscheidung gekippt, um auf einfache Weise verschiedene Nanostrukturen des Materials zu erzeugen, was eine unkomplizierte und kostengünstige Lösung darstellt. Außerdem ist Nickel ein auf der Erde reichlich vorhandener Nicht-Edelmetall-Katalysator, der eine relativ hohe Effizienz bei der Wasserstofferzeugung aufweist.
Gasblasen lösen sich schneller ab
Das Team nutzte eine Schrägwinkelabscheidungsmethode, um Nickel zu synthetisieren, das fein gearbeitete, vertikal ausgerichtete Nanostäbchenvorsprünge aufweist. Im Gegensatz zu konventionellen Nanostrukturen, die lediglich die Oberfläche des Katalysators vergrößern, entwickelten die Forscher eine hochporöse Anordnung der Nickelnanostäbchen. Sie sollen mit ihrer einzigartigen superaerophoben Oberflächenbeschaffenheit das Problem der Wasserstoffanhaftung lösen. Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass Wasserstoffgasblasen, die während des Elektrolyseprozesses entstehen, sich schneller von der superaerophoben Oberfläche ablösen. Der superaerophobe dreidimensionale Nickel-Nanostäbchen-Katalysator des Forscherteams zeigte mit seinen effektiven Porenkanälen eine bemerkenswerte Verbesserung. Er übertrifft die Wasserstoffproduktionsleistung einer äquivalenten Menge Nickel in einer herkömmlichen Dünnschichtstruktur um das 55-fache.
Weitere Anwendungen denkbar
Professor Jong Kyu Kim und Ph. D. Jaerim Kim, die die Forschung leiteten, erklärten: „Indem wir die Effizienz des Wasserelektrolyseprozesses für die grüne Wasserstoffproduktion verbessern, machen wir Fortschritte auf dem Weg zu einer Wasserstoffwirtschaft und einer kohlenstoffneutralen Gesellschaft.“ Sie fügten hinzu: „Dieser Durchbruch kommt nicht nur der Wasserelektrolyse zugute. Er ist auch vielversprechend für verschiedene andere Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energien, bei denen Oberflächenreaktionen eine entscheidende Rolle spielen. Das betrifft beispielsweise die Kohlendioxidreduktion und Systeme zur Umwandlung von Lichtenergie.“
Diese Studie wurde durch das Hydrogen Energy Innovation Technology Development Program, das Program for Establishing an International Cooperation Foundation, das Future Innovation Infrastructure Research for Radiology Program und das Future Material Discovery Program of Korea gefördert.
