Neues stabiles Wasser

Forscher haben einen mit Nickel stabilisierten Rutheniumdioxid-Anodenkatalysator (Ni-RuO2) für die Wasserelektrolyse mit Protonenaustauschmembranen (PEM) entwickelt. Das Ruthenium – ein häufiger vorkommendes Edelmetall – dient als vielversprechende Alternative zum selteneren und teureren Iridium – derzeit der praktische Anodenkatalysator für die Elektrolyse.

Der Ni-RuO2-Katalysator zeigt eine hohe Aktivität und Haltbarkeit in saurer OER für die PEM-Wasserelektrolyse. Obwohl reines RuO2 eine schlechte Säure-OER-Stabilität aufweist und innerhalb kurzer Zeit im Dauerbetrieb abgebaut wird, stabilisiert der Einbau von Ni das RuO2-Gitter erheblich und verlängert seine Haltbarkeit um mehr als eine Größenordnung.

Ein Schema zeigt den experimentellen Wasserelektrolyseur, der bei Rice entwickelt wurde und einen mit Nickel dotierten Rutheniumkatalysator verwendet. Illustration von Zhen-Yu Wu

Ein Artikel über die Arbeit des Labors des Chemie- und Biomolekularingenieurs Haotian Wang an der George R. Brown School of Engineering von Rice und Kollegen an der University of Pittsburgh und der University of Virginia ist in Nature Materials veröffentlicht.

Beim Auftragen auf die Anode eines PEM-Wasserelektrolyseurs zeigte unser Ni-RuO2-Katalysator eine Stabilität von >1.000 Stunden bei einem Wasserspaltungsstrom von 200 mA cm−2, was auf Potenzial für praktische Anwendungen schließen lässt. Untersuchungen zur Dichtefunktionaltheorie bestätigten in Verbindung mit operando-differentieller elektrochemischer Massenspektroskopie-Analyse den Adsorbatentwicklungsmechanismus auf Ni-RuO2 sowie die entscheidende Rolle von Ni-Dotierstoffen bei der Stabilisierung von Oberflächen-Ru und Untergrundsauerstoff für eine verbesserte OER-Haltbarkeit.

Iridium kostet etwa achtmal mehr als Ruthenium, sagte Wang, und es könnte 20 bis 40 % der Kosten bei der Herstellung kommerzieller Geräte ausmachen, insbesondere bei zukünftigen groß angelegten Einsätzen.

Bei der Wasserspaltung handelt es sich um Sauerstoff- und Wasserstoffentwicklungsreaktionen, bei denen polarisierte Katalysatoren Wassermoleküle neu anordnen, um Sauerstoff und Wasserstoff freizusetzen.

Die Kathode ist sehr stabil und stellt kein großes Problem dar, allerdings ist die Anode bei Verwendung eines sauren Elektrolyten anfälliger für Korrosion. Häufig verwendete Übergangsmetalle wie Mangan, Eisen, Nickel und Kobalt werden oxidiert und lösen sich im Elektrolyten auf. Aus diesem Grund ist Iridium das einzige praktische Material, das in kommerziellen Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyseuren verwendet wird. Es ist über Zehntausende Stunden stabil, aber sehr teuer.

Das Labor arbeitet an der Verbesserung seines Rutheniumkatalysators, um ihn in aktuelle industrielle Prozesse integrieren zu können.

Nachdem wir diesen Stabilitätsmeilenstein erreicht haben, besteht unsere Herausforderung darin, die Stromdichte um mindestens das Fünf- bis Zehnfache zu erhöhen und gleichzeitig diese Art von Stabilität aufrechtzuerhalten. Das ist sehr anspruchsvoll, aber dennoch möglich.

Die jährliche Produktion von Iridium wird uns nicht dabei helfen, die Menge an Wasserstoff zu produzieren, die wir heute benötigen. Selbst die Nutzung des gesamten weltweit produzierten Iridiums wird einfach nicht die Menge an Wasserstoff erzeugen, die wir benötigen, wenn wir ihn durch Wasserelektrolyse herstellen wollen. Das bedeutet, dass wir uns nicht vollständig auf Iridium verlassen können. Wir müssen neue Katalysatoren entwickeln, um ihren Einsatz entweder zu reduzieren oder ganz aus dem Prozess zu eliminieren.

Boyang Li von der University of Pittsburgh ist Co-Hauptautor des Papiers. Co-Autoren sind der Rice-Doktorand Peng Zhu; Doktorand Shen-Wei Yu in Virginia; Physiker Zou Finfrock am Argonne National Laboratory; Wissenschaftlerin Debora Motta Meira aus Argonne und Canadian Light Source; Virginia-Absolvent Zhouyang Yin; und Qiang-Qiang Yan, Ming-Xi Chen, Tian-Wei Song und Hai-Wei Liang von der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas, Hefei. Mitkorrespondierende Autoren sind Sen Zhang, außerordentlicher Professor für Chemie in Virginia, und Guofeng Wang, Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften in Pittsburgh. Haotian Wang ist William Marsh Trustee Chair bei Rice und Assistenzprofessor für Chemie- und Biomolekulartechnik.

Die Forschung wurde von der Welch Foundation (C-2051-20200401), der David and Lucile Packard Foundation (2020–71371), einem Roy E. Campbell Faculty Development Award, der National Science Foundation (1905572, 2004808) und der University of unterstützt Pittsburgh Center for Research Computing und die Advanced Photon Source des Argonne National Laboratory.

Ressourcen

Wu, ZY., Chen, FY., Li, B. et al. (2022) „Nicht-Iridium-basierter Elektrokatalysator für eine dauerhafte saure Sauerstoffentwicklungsreaktion in der Wasserelektrolyse mit Protonenaustauschmembranen.“ Nat. Mater. doi: 10.1038/s41563-022-01380-5

Gepostet am 22. Oktober 2022 in Katalysatoren, Wasserstoff, Wasserstoffproduktion, Markthintergrund | Permalink | Kommentare (1)