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Neuer Ansatz zur Produktion von molekularem Wasserstoff

18.05.2017

Eine aktuelle Forschungsarbeit des Lehrstuhls für Molekulare Funktionsmaterialien (Prof. Xinliang Feng), Center for Advancing Electronics Dresden an der TU Dresden, die in Zusammenarbeit mit Forschern an Universitäten und Instituten in Deutschland, Frankreich und Japan entstand, wurde am 17. Mai 2017 in Nature Communications veröffentlicht. Das Papier mit dem Titel "Efficient hydrogen production on MoNi4 electrocatalysts with fast water dissociation kinetics" beschreibt einen neuen Ansatz zur Produktion von molekularem Wasserstoff, welches diesen Prozess revolutionieren könnte. Das Gas gilt als einer der vielversprechendsten Energieträger der Zukunft.

Ein wachsendes Bewusstsein hinsichtlich der Probleme traditioneller Energieträger verlangt nach der gezielten Entwicklung von erneuerbaren Energiequellen, als Alternative für die begrenzten fossilen Brennstoffe. Wegen seiner hohen Energiedichte und umweltfreundlichen Eigenschaften ist molekularer Wasserstoff ein attraktiver und vielversprechender Energiespeicher für die künftige globale Energienachfrage.


a) Syntheseschema von MoNi4-Elektrokatalysatoren geträgert auf MoO2-Kuboiden auf einem Nickelschaum; b) Polarisierungskurven des MoNi4-Elektrokatolysators auf MoO3-Kuboiden, der reinen Nickelnanoschichten und von MoO2-Kuboiden auf Nickelschaum; c) Berechnete Adsorptions-Freie-Energie-Diagramm für den Tafel-Schritt.

Prof. Xinliang Feng/cfaed

Unter den verschiedenen Methoden zur Herstellung von Wasserstoff stellt die elektrokatalytische Erzeugung durch Wasserspaltung (Wasserstoffentwicklungsreaktion, engl.: HER) das effektivste Verfahren für die zukünftige Wasserstoffökonomie dar.

Um die Geschwindigkeit der üblicherweise langsam ablaufenden HER – besonders in basischen Elektrolyten – anzuheben, werden hoch aktive und robuste Elektrokatalysatoren benötigt, um die kinetische HER-Überspannung zu senken. Als Messlatte der HER-Elektrokatalysatoren mit einer Überspannung von Null gilt das Edelmetall Platin, welches die dominante Rolle in der H2-Produktionstechnologie spielt, wie zum Beispiel in der Wasser-Alkali-Elektrolyse. Knappheit und hohe Beschaffungskosten hindern jedoch die großtechnische Anwendung in der elektrokatalytischen HER.

Professor Xinliang Feng (Lehrstuhl für Molekulare Funktionsmaterialien) und sein Team vom Center for Advancing Electronics Dresden an der TU Dresden haben in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) Dresden und internationalen Partnern von der Universität Lyon (ENS de Lyon), Centre national de la recherche scientifique (CNRS, beide Frankreich) und der Tohoku University (Japan) nun einen günstigen Elektrokatalysator hergestellt, welcher auf Molybdän-Nickel (MoNi4) basiert, das wiederum auf Molybdän-Oxid-Kuboiden (MoO2) verankert ist. Diese Kleinststrukturen werden vertikal auf einem Nickelschaum ausgerichtet (MoNi4/MoO2@Ni).

Die MoNi4-Nanopartikel werden in situ auf den MoO2-Kuboiden gezüchtet, indem Nickelatome nach außen diffundieren. Das entstehende Material MoNi4/MoO2@Ni hat eine sehr hohe HER-Aktivität, die vergleichbar mit denen der Platinkatalysatoren ist, und setzt damit eine neue Kennmarke unter den platinfreien Elektrokatalysatoren. Experimentell konnten die MoNi4-Kerne als katalytisch hochaktive Zentren ausgemacht werden.

Darüber hinaus wurde mit theoretischen Berechnungen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie (DFT) aufgezeigt, dass die Energiebarriere der Volmer-Stufe für die MoNi4-Elektrokatalysatoren stark gesenkt ist. Die Möglichkeit, diesen Elektrokatalysator in einem großen Maßstab herzustellen, sowie die exzellente katalytische Stabilität zeigen MoNi4/MoO2@Ni als eine vielversprechende Alternative in der Wasser-Alkali-Elektrolyse für die Wasserstoffproduktion auf. Die weitere Erforschung von MoNi4-Elektrokatalysatoren weist daher den Weg zu einer hoffnungsvollen Methode für eine zukünftige Anwendung in der Energieerzeugung.

Referenz:
Efficient hydrogen production on MoNi4 electrocatalysts with fast water dissociation kinetics
J. Zhang, T. Wang, P. Liu, Z. Liao, S. Liu, X. Zhuang, M. Chen, E. Zschech, X. Feng*
Nat Commun.

Diese Arbeit wurde finanziell unterstützt durch den Fond 2DMATER des Europäischen Forschungsrates (ERC) und die EU innerhalb des „Graphene Flagship“-Programms (No. CNECT-ICT-604391).
DOI: 10.1038/NCOMMS15437

Bildunterschrift Pressebild:
Abbildung. a) Syntheseschema von MoNi4-Elektrokatalysatoren geträgert auf MoO2-Kuboiden auf einem Nickelschaum; b) Polarisierungskurven des MoNi4-Elektrokatolysators auf MoO3-Kuboiden, der reinen Nickelnanoschichten und von MoO2-Kuboiden auf Nickelschaum; c) Berechnete Adsorptions-Freie-Energie-Diagramm für den Tafel-Schritt.

Download unter: http://bit.ly/2qnEolD

Informationen für Journalisten:
Prof. Xinliang Feng
Technische Universität Dresden
Tel.: +49 351 463-43251
Mail: xinliang.feng@tu-dresden.de

Matthias Hahndorf
cfaed Referent für Wissenschaftskommunikation
Tel.: +49 (0) 351 463-42847
E-mail: matthias.hahndorf@tu-dresden.de

cfaed
Zum Exzellenzcluster für Mikroelektronik der Technischen Universität Dresden gehören elf Forschungsinstitute, darunter die Technische Universität Chemnitz sowie zwei Max-Planck-Institute, zwei Fraunhofer-Institute, zwei Leibniz-Institute und das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Auf neun verschiedenen Pfaden forschen rund 300 Wissenschaftler nach neuartigen Technologien für die elektronische Informationsverarbeitung. Sie verwenden dabei innovative Materialien wie Silizium-Nanodrähte, Kohlenstoff-Nanoröhren oder Polymere. Außerdem entwickeln sie völlig neue Konzepte, wie den chemischen Chip oder Herstellungsverfahren durch selbstassemblierende Strukturen, bspw. DNA-Origami. Ziele sind zudem Energieeffizienz, Zuverlässigkeit und das reibungslose Zusammenspiel der unterschiedlichen Bauelemente. Darüber hinaus werden biologische Kommunikationssysteme betrachtet, um Inspirationen aus der Natur für die Technik zu nutzen. Dieser weltweit einzigartige Ansatz vereint somit die erkenntnisgetriebenen Naturwissenschaften und die innovationsorientierten Ingenieurwissenschaften zu einer interdisziplinären Forschungsplattform in Sachsen.

www.cfaed.tu-dresden.de 

Weitere Informationen:

http://dx.doi.org/10.1038/NCOMMS15437

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