Einem Team aus Technischer Universität Berlin, HZB, IMTEK (Uni Freiburg) und Siemens Energy ist es gelungen, einen alkalischen Membran-Elektrolyseur zu entwickeln, der an die Leistung von etablierten PEM-Elektrolyseuren heranreicht. Das Besondere: Der Anodenkatalysator besteht aus preisgünstigen Nickelverbindungen und nicht aus Iridium. An BESSY II konnte das Team die katalytischen Prozesse im Detail aufklären. In Freiburg wurden mit einem neuen Beschichtungsverfahren Prototyp-Zellen gebaut und im Betrieb getestet.
Wasserstoff soll im Energiesystem der Zukunft eine große Rolle spielen, als Energiespeicher, Brennstoff und wertvoller Rohstoff für die Chemie-Industrie. Denn Wasserstoff lässt sich nahezu klimaneutral durch Elektrolyse von Wasser erzeugen, sofern diese mit Strom aus Sonne oder Wind geschieht. Der Hochlauf der grünen Wasserstoffwirtschaft wird aktuell maßgeblich von zwei Systemen bestimmt: der protonenleitenden Membranelektrolyse (PEM) und der klassischen alkalischen Elektrolyse. AEM-Elektrolyseure kombinieren die Vorteile beider Systeme und benötigen beispielsweise keine seltenen Edelmetalle wie Iridium.
Nun haben Forschungsteams aus TU Berlin und HZB gemeinsam mit dem Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Uni Freiburg und Siemens Energy erstmals einen Elektrolyseur vorgestellt, der fast genauso effizient Wasserstoff produziert wie ein PEM-Elektrolyseur. Statt auf Iridium setzten sie auf Nickel-Doppelhydroxidverbindungen mit Eisen, Kobalt oder Mangan und entwickelten ein Verfahren, um eine alkalische Ionenaustauschmembran damit direkt zu beschichten.
Während der Elektrolyse in der Zelle konnten sie operando-Messungen an der Berliner Röntgenquelle BESSY II an der LIXEdrom Endstation durchführen. Ein Theorie-Team aus Singapur und USA half dabei, die experimentellen Daten zu interpretieren. „Dadurch gelang es uns, die relevanten katalytisch-chemischen Prozesse an der katalysatorbeschichteten Membran aufzuklären, insbesondere den Phasenübergang von einer katalytisch inaktiven Alpha-Phase zur hochaktiven Gamma-Phase und die Rolle, welche die verschiedenen O-Liganden und Ni4+-Zentren bei der Katalyse spielen“, erklärt Prof. Peter Strasser, TU Berlin. „Erst diese Gamma-Phase macht unseren Katalysator konkurrenzfähig mit den aktuellen state-of-the-art Katalysatoren aus Iridium. Unsere Arbeit zeigt wichtige Gemeinsamkeiten zu Iridium im katalytischen Mechanismus, aber auch völlig überraschende molekulare Unterschiede.“
Die Untersuchung hat damit das Verständnis der fundamentalen Katalyse Mechanismen der neuen Nickelbasierten Elektroden-Materialien signifikant erweitert. Außerdem verspricht das neu entwickelte Beschichtungsverfahren der Membranelektrode eine sehr gute Skalierbarkeit. Eine erste vollfunktionsfähige Kleinzelle wurde am IMTEK bereits getestet. Damit legen die Arbeiten die Grundlage für eine industrielle Evaluierung und demonstrieren, dass auch ein AEM-Wasserelektrolyseur hocheffizient sein kann.
Originalpublikation
High-performance anion-exchange membrane water electrolyzers using NiX (X = Fe,Co,Mn) catalyst-coated membranes with redox-active Ni–O ligands
M. Klingenhof, H. Trzesniowski S. Koch, J. Zhu, Z. Zeng, L. Metzler, A. Klinger, M. Elshamy, F. Lehmann, P. W. Buchheister, A. Weisser, G. Schmid, S. Vierrath, F. Dionigi & P. Strasser
DOI: 10.1038/s41929-024-01238-w
Hintergrund
Die Gewinnung von Nickel und Iridium hat deutliche negative Auswirkungen auf die Umwelt. Insbesondere werden Wälder gerodet, Landflächen verbraucht sowie Oberflächen- und Grundwasser stark belastet. Außerdem forciert die Gewinnung den Anstieg von Kohlendioxid: Pro Tonne Nickel werden je nach Verfahren zwischen 15 und 35 Tonnen CO2 emittiert.
Nickel wird aus entsprechenden Erzen direkt als Hauptprodukt gewonnen. Iridium gehört zu den seltenen Erden; es wird hauptsächlich als Nebenprodukt aus Nickel-, Platin- und Kupfererzen gewonnen. Die wichtigsten Abbaugebiete für Iridium sind Südafrika, Russland, Kanada, USA, Alaska, Myanmar, Australien und Brasilien. Die globale Förderung von Iridium ist mit etwa zehn Mio Tonnen weltweit relativ gering.
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