Effizienz der Wasserelektrolyse verdoppelt

Die Wasserelektrolyse hat sich als Verfahren für die Produktion von Wasserstoff bislang nicht durchgesetzt. Zu viel Energie geht in dem Prozess verloren. Forscher haben die Effizienz der Reaktion nun verdoppelt.

In der Zeitschrift „Nature Communications“ berichten Wissenschaftler der Ruhr-Universität Bochum, der Technischen Universität München und der Universität Leiden, wie sich die Effizienz der Elektroden für die Wasserelektrolyse steigern lässt. Diese enthalten üblicherweise Platin als Katalysator, um die Umsetzung von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff zu beschleunigen. Damit die Reaktion möglichst effizient abläuft, dürfen Zwischenprodukte weder zu stark noch zu schwach an der Katalysatoroberfläche haften.

Herkömmliche Elektroden binden Zwischenprodukte zu stark

Das Team um Prof. Dr. Aliaksandr Bandarenka vom Münchener Lehrstuhl für Physik der Energieumwandlung und -speicherung und Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom Bochumer Zentrum für Elektrochemie berechnete, wie stark die Zwischenprodukte an den Elektroden haften sollten, um eine möglichst effiziente Reaktion zu erlauben. Die Analyse ergab, dass herkömmlichen Elektroden aus Platin, Rhodium und Palladium die Zwischenprodukte etwas zu stark binden.

Die Forscher modifizierten die Eigenschaften der Platin-Katalysatoroberfläche, indem sie eine Schicht aus Kupferatomen einfügten. Mit dieser Zusatzschicht erzeugte das System doppelt so viel Wasserstoff wie mit einer reinen Platinelektrode. Allerdings nur, wenn die Forscher die Kupferschicht direkt unter der obersten Lage der Platinatome einbrachten. Die Gruppe beobachtete zudem, dass die Elektroden mit der Kupferschicht langlebiger waren, zum Beispiel widerstandsfähiger gegen Korrosion.

Wasserelektrolyse hat sich bislang nicht großflächig durchgesetzt

Nur vier Prozent des weltweit produzierten Wasserstoffs entstehen bislang durch Wasserelektrolyse. Weil die verwendeten Elektroden nicht effizient genug sind, lohnt sich eine großflächige Anwendung nicht. „Bisher wird Wasserstoff überwiegend aus fossilen Brennstoffen gewonnen, wobei eine hohe Menge CO2 freigesetzt wird“, sagt Wolfgang Schuhmann. „Es wäre ein großer Schritt in Richtung klimaschonender Energieumwandlung, wenn wir Wasserstoff stattdessen mittels Elektrolyse gewinnen würden. Dafür könnten wir den Überschussstrom zum Beispiel aus der Windkraft nutzen.“

„Darüber hinaus ermöglicht uns die Forschung an dieser Reaktion zu testen, wie gut wir Katalysatoroberflächen designen können, indem wir unterschiedliche Metallatome präzise positionieren,“ ergänzt Aliaksandr Bandarenka. „Dieses Wissen könnte auch vielen anderen katalytischen Prozessen zugute kommen.“

Förderung

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft förderte die Arbeiten im Rahmen der Exzellenzcluster RESOLV (EXC 1069) und Nanosystems Initiative Munich (NIM). Weitere Unterstützung kam von der Helmholtz-Energie-Allianz „Stationäre elektrochemische Speicher und Wandler“ (HA-E-0002).

Originalveröffentlichung

J. Tymoczko, F. Calle-Vallejo, W. Schuhmann, A. S. Bandarenka (2016): Making the hydrogen evolution reaction in polymer electrolyte membrane electrolyzers even faster, Nature Communications, DOI: 10.1038/NCOMMS10990

Weitere Informationen

Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann, Analytische Chemie, Zentrum für Elektrochemie, Fakultät für Chemie und Biochemie der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Tel.: 0234 32 26200, E-Mail: wolfgang.schuhmann@rub.de