Wasserstoff als emissionsfreie Alternative zu fossilen Brennstoffen entwickelt sich immer mehr zu einem wichtigen Motor für eine saubere, nachhaltige Zukunft. Die großtechnische Herstellung von Wasserstoff ist zwar vielversprechend, erfordert jedoch teure Katalysatoren auf Platinbasis.
Um dieses Problem zu lösen, haben Forscher der Tokyo University of Science (TUS) einen neuartigen Wasserstoffentwicklungskatalysator mit Palladium-Nanoblättern (PdDI) entwickelt, der eine platinähnliche Effizienz zu einem Bruchteil der Kosten bietet.
Die Studie wurde von Dr. Hiroaki Maeda und Professor Hiroshi Nishihara von der TUS in Zusammenarbeit mit Forschenden der Universität Tokio, des Japan Synchrotron Radiation Research Institute, des Kyoto Institute of Technology, des RIKEN SPring-8 Center und des National Institute for Materials Science, Japan, geleitet. Die Entdeckung stellt einen Durchbruch in der Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) dar, einem Schlüsselprozess für die Erzeugung von grünem Wasserstoff. HER findet bei der elektrolytischen Aufspaltung von Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff statt. Die HER-Katalysatorelektroden, die üblicherweise aus Platin bestehen, erleichtern die Umwandlung von naszierendem Wasserstoff ([H]), der bei der Wasserspaltung an der Elektrodenoberfläche entsteht, in Wasserstoffgas (H?). Platin (Pt) als HER-Katalysator ist zwar hochwirksam, aber seine Knappheit und die hohen Kosten erhöhen die Herstellungskosten erheblich und schränken seine großtechnische Anwendung ein.
Mit einem einfachen Syntheseverfahren und begrenzten Mengen an Edelmetallen erarbeitete das Forschungsteam eine hocheffiziente Alternative für Pt-Katalysatoren. Das Team stellte Nanoblätter auf Palladiumbasis her, die die katalytische Aktivität maximieren und gleichzeitig den Metallverbrauch minimieren können, was die Kosten für die H?-Produktion drastisch senkt.
„Die Entwicklung effizienter HER-Elektrokatalysatoren ist der Schlüssel zu einer nachhaltigen H? Produktion. Die Palladium-Nanoblätter mit ihrer hohen Leitfähigkeit, großen Oberfläche und effizienten Elektronenübertragung sind vielversprechende Kandidaten“, sagt Hiroaki Maeda.
Das Team entwickelte PdDI-Nanoblätter (C-PdDI und E-PdDI) mit zwei verschiedenen Methoden: der Gas-Flüssig-Grenzflächensynthese bzw. der elektrochemischen Oxidation. Nach der Aktivierung wiesen die E-PdDI-Schichten ein niedriges Überpotenzial von 34 mV auf, ebenso wie das Überpotenzial von Platin von 35 mV, was bedeutet, dass nur sehr wenig zusätzliche Energie für die Wasserstoffproduktion erforderlich war. Die Austauschstromdichte von 2,1 mA/cm² entsprach ebenfalls der katalytischen Leistung von Platin. Mit diesen Ergebnissen gehört E-PdDI zu den effizientesten HER-Katalysatoren, die bisher entwickelt wurden.
Einer der kritischen Aspekte jedes Katalysators ist seine Langzeitstabilität. Die PdDI-Nanoblätter wiesen eine ausgezeichnete Haltbarkeit auf und blieben nach zwölf Stunden unter sauren Bedingungen intakt, was ihre Eignung für reale Wasserstoffproduktionssysteme bestätigt.
Da PdDI-Nanobleche stehen im Einklang mit den Zielen für nachhaltige Entwicklung (SDGs) der Vereinten Nationen: SDG 7 – Förderung von erschwinglicher und sauberer Energie, SDG 9 – Industrie, Innovation und Infrastruktur. Die Auswirkungen dieser Studie gehen über Laborexperimente hinaus. Die Skalierbarkeit, die erhöhte Aktivität und die Kosteneffizienz von PdDI-Nanoblättern machen sie für die industrielle Wasserstoffproduktion, Wasserstoffbrennstoffzellen und groß angelegte Energiespeichersysteme äußerst attraktiv.
Außerdem könnte der Ersatz von Katalysatoren auf Platinbasis durch PdDI die mit dem Bergbau verbundenen Emissionen verringern und so den Übergang zu einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft beschleunigen. Außerdem ist die Dichte von Palladiumatomen zehnmal geringer als die von Pt-Atomen, was die Abhängigkeit vom Edelmetall Pt verringert und eine kostengünstige Herstellung von Elektroden ermöglicht. Der Ersatz von Pt durch PdDI-Nanoblätter dürfte in der Automobilindustrie, der Wasserstoffproduktion und der Elektrodenversorgung große Vorteile bringen.
Mit dem Fortschreiten der Forschung will das Team der TUS die PdDI-Nanoblätter für die Vermarktung weiter optimieren und so zur Entwicklung einer umweltfreundlichen Wasserstoffgesellschaft beitragen.
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