Der übermäßige Verbrauch fossiler Brennstoffe hat weltweite Sorgen hinsichtlich Klimawandel, Energiesicherheit und Umweltzerstörung geschürt. Wasserstoff mit seiner hohen Energiedichte und seinen kohlenstofffreien Emissionen gilt als Eckpfeiler der Energiewende. Dennoch erfolgt der Großteil der Wasserstoffproduktion immer noch durch kohlenstoffintensive Verfahren wie die Dampfreformierung von Methan. Die mit erneuerbarem Strom betriebene Wasserelektrolyse ist ein praktikabler Weg zu grünem Wasserstoff, erfordert jedoch Elektrokatalysatoren, die hohen Stromdichten standhalten können, ohne an Effizienz zu verlieren. Aufgrund dieser Herausforderungen besteht dringender Bedarf an der Entwicklung skalierbarer, leistungsstarker Katalysatoren, die die elektrochemische Wasserspaltung auf industriellem Niveau vorantreiben können.
Forscher des Dalian Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben in eScience (online verfügbar ab Juli 2025) eine umfassende Übersicht (DOI: 10.1016/j.esci.2024.100334) veröffentlicht , die die Fortschritte bei der Entwicklung von Elektrokatalysatoren für die Wasserelektrolyse mit hoher Stromdichte zusammenfasst. Die Studie skizziert Fortschritte bei skalierbaren Syntheseansätzen und identifiziert die kritischen Anforderungen an Katalysatoren, die industriellen Betriebsbedingungen standhalten. Mit Richtlinien zur Erzielung von Leistung und Großserienfertigung bietet die Studie einen Fahrplan für die Beschleunigung des Übergangs von Labordurchbrüchen zu realen Wasserstoffproduktionssystemen. Die Studie beleuchtet drei wichtige Strategien zur Entwicklung großformatiger Elektrokatalysatoren: galvanische Abscheidung, Korrosionstechnik und Wärmebehandlung sowie deren Kombinationen. Die galvanische Abscheidung ermöglicht eine präzise Kontrolle der Katalysatorzusammensetzung und -morphologie und führt zu nanostrukturierten Oberflächen, die die Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklungsreaktionen fördern. Die Korrosionstechnik, die selbstinduzierte Oberflächenmodifikationen beinhaltet, erzeugt geschichtete Hydroxidstrukturen mit zahlreichen aktiven Zentren und nachgewiesener Langzeitstabilität bei Stromdichten im Ampere-Bereich. Wärmebehandlungsmethoden, darunter ultraschnelles Erhitzen, hydrothermale Synthese und Verbrennung, ermöglichen die schnelle Herstellung robuster Katalysatoren im Großmaßstab mit verbesserter Leitfähigkeit und Haltbarkeit. Zu den wichtigsten Leistungsindikatoren gehören Überspannung, Tafel-Steigung, Umsatzfrequenz, Faradayscher Wirkungsgrad und mechanische Stabilität unter rauen Elektrolyseurbedingungen. Besonderes Augenmerk wird auf Hydrophilie und Aerophobie gelegt, die eine effiziente Gasblasenablösung und eine anhaltende Exposition der aktiven Zentren bei hohen Stromdichten gewährleisten. Darüber hinaus wird die Bedeutung von Tests an Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) beleuchtet, um Laborforschung und praktische Geräteleistung zu verbinden. Zusammen bilden diese Erkenntnisse einen Rahmen für die Skalierung der Katalysatorsynthese von zentimetergroßen Laborproben auf quadratmetergroße Industrieelektroden bei gleichzeitiger Minimierung der Abhängigkeit von seltenen Edelmetallen.
„Um Wasserstoff im industriellen Maßstab produzieren zu können, sind Katalysatoren erforderlich, die nicht nur bei hohen Stromdichten eine gute Leistung erbringen, sondern auch zuverlässig in großem Maßstab hergestellt werden können“, sagte Co-Autor Zhong-Shuai Wu. „Dieser Bericht bietet sowohl eine Momentaufnahme der jüngsten Fortschritte als auch einen praktischen Leitfaden für zukünftige Entwicklungen. Indem wir Materialdesign und skalierbare Produktionstechniken aufeinander abstimmen, sind wir der wirtschaftlichen und technologischen Robustheit von grünem Wasserstoff einen Schritt näher gekommen. Die nächste Herausforderung ist die Integration dieser Katalysatoren in kommerzielle Elektrolyseursysteme, die Tausende von Stunden effizient betrieben werden können.“
Die in diesem Bericht dargelegten Erkenntnisse haben weitreichende Auswirkungen auf die grüne Wasserstoffwirtschaft. Die skalierbare Produktion von Hochleistungs-Elektrokatalysatoren kann die Kosten und den Platzbedarf von Elektrolyseursystemen senken und so die Wasserstofferzeugung im Gigawatt-Maßstab ermöglichen, um den prognostizierten weltweiten Bedarf zu decken. Praktische Fortschritte bei Blasenmanagement, Stabilität und der Nutzung unedler Metalle können die Lebensdauer und Erschwinglichkeit der Geräte verbessern und die Wasserelektrolyse wettbewerbsfähiger gegenüber Wasserstoff auf Basis fossiler Brennstoffe machen. Über die Energie hinaus liefern diese Strategien auch übertragbares Wissen für andere elektrochemische Prozesse, einschließlich der Kohlendioxidreduktion und der Ammoniaksynthese, und unterstützen so ein breiteres Portfolio nachhaltiger chemischer Fertigungstechnologien.
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