Wasserstoff aus der Elektrolyse mit erneuerbaren Energien gilt als Schlüsselelement der Energiewende. Mittels Katalysatoren wird Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Für die elektrochemische Reaktion sind Edelmetalle wie Platin, Iridium oder Ruthenium als Katalysatoren notwendig. Wie das Recycling dieser Metalle verbessert werden kann, prüft ein europäisches Forschungsprojekt mit Beteiligung der TU Bergakademie Freiberg seit drei Jahren.
Da die teuren Edelmetalle in Elektrolysezellen noch nicht vollständig durch andere ähnlich effiziente Materialien ersetzt werden können, besteht nach Aussage von Projektleiter Prof. Alexandros Charitos die Herausforderung, sie verlustfrei zurückzugewinnen; und dies idealerweise mit umweltschonender Aufbereitung.
Umweltschonendere Aufbereitung der verwendeten Katalysatormaterialien
Der Fokus des Forschungsteams lag auf sogenannten hydrometallurgischen Recyclingmethoden. Dabei wird das Katalysatormaterial in eine wässrige Lösung überführt und im Anschluss als Salz oder Metall in fester und möglichst reiner Form zurückgewonnen.
Die Rückgewinnung der verschiedenen Katalysatorschichten aus Edelmetallen, das Herzstück des Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs (PEM-Elektrolyseur), benötigt laut Dr. Lesia Sandig-Predzymirska bislang einen energieaufwändigen und potenziell umweltschädlichen Verfahrensschritt. Im Projekt Recycalyse verfolgen die Forschenden einen Recyclingprozess, bei dem die Katalysatorschichten von der fluorhaltigen Membran getrennt werden. Die Edelmetalle der vorkonzentrierten Katalysatorschichten können dann mit milderen und umweltschonenderen Laugungsmitteln recycelt werden. So werden Ausgangsstoffe hergestellt, die direkt für die Produktion neuer Elektrokatalysatoren verwendet werden können, um den Materialkreislauf zu schließen, sagt die wissenschaftliche Mitarbeiterin im Forschungsprojekt.
Neue Recyclingmethode für Edelmetall Ruthenium patentiert
Ein neu entwickelter Katalysator aus Iridium und Ruthenium erwies sich als der effizienteste für die Sauerstoffentwicklungsreaktion auf der Anodenseite der Zelle. Als Trägermaterial für die Edelmetalle fungierte ein Antimon-dotiertes Zinnoxid statt Kohlenstoff. Wir haben ein hydrometallurgisches Verfahren zur Rückgewinnung von Ruthenium entwickelt und patentiert, bei dem kostengünstige Chemikalien eingesetzt werden, um die für die Industrie wertvollen Rutheniumkomplexe effizient zu gewinnen, sagt Dr. Lesia Sandig-Predzymirska. Rutheniumkomplexe werden nicht nur in der chemischen Industrie für die Herstellung von Katalysatoren verwendet, sondern auch in vielen anderen Bereichen wie der Elektronikindustrie, der Medizin, der Biologie, den Nanowissenschaften und der Solarzellenherstellung eingesetzt.
Zusammen mit einem neu entwickelten Trennverfahren der einzelnen Metallionen erreichte das Team eine Metallrückgewinnung von über ٩٠ Prozent der enthaltenen Edelmetalle.
Hintergrund: Aufbau einer PEM-Elektrolysezelle
Eine dünne Membran in der Mitte der PEM-Elektrolysezelle ist für Protonen (H+) durchlässig, verhindert jedoch den Transport von Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2). Diese Membran wird mit einer Anoden- und gegenüber mit einem Kathodenkatalysator beschichtet. Die Schicht besteht aus dem Katalysator auf dem Trägermaterial, das für eine gleichmäßige elektrochemische Reaktion mit einem ionenleitenden plastischen Kunststoff (Ionomer) vermischt ist. Sobald eine elektrische Spannung an die Elektroden angelegt wird, bildet sich Wasserstoff an der Kathode und an der Anode Sauerstoff. Zuerst wird auf der Anodenseite Wasser zugeführt, dann führt die katalytische Wirkung des Edelmetallkatalysators zur Zersetzung des Wassers. Es entstehen Sauerstoff (O2), Elektronen (e-) und Protonen (H+). Die Protonen fließen durch die protonenleitende Membran zur Kathodenseite, wo sie mit den Elektronen Wasserstoff erzeugen.
Elektrolyse im Fokus der Forschung
Da die Speicherung von Wasserstoff aus der Wasserelektrolyse ein wichtiger Baustein für die Energiewende ist, stehen die Elektrodenmaterialien aktuell im Fokus der Forschung. Neben der Effizienz und Verfügbarkeit der Materialien konzentriert sich das Projekt Recycalyse besonders auf deren Recyclingfähigkeit im Sinne der Kreislaufwirtschaft. Es wird vom Dänischen Technologischen Institut geleitet und von neun weiteren Partnern (TU Bergakademie Freiberg, Fraunhofer ICT, Sustainable Innovations, TWI, Blue World Technologies, Universität Bern, Prüfrex, HyCentA Research GmbH und Accurec) getragen. Noch bis Ende September 2023 wird Recycalyse mit insgesamt 5,5 Millionen Euro aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union im Rahmen der Zuschussvereinbarung Nr. 861960 unterstützt.
Patentschrift
L. Sandig-Predzymirska, T. V. Barreiros, A. Thiere, A. Weigelt, M. Stelter, A. Charitos: Verfahren zur Rückgewinnung von Ruthenium aus einem Ruthenium-haltigen Material; 2022, DE10 2022 111 440
- https://tu-freiberg.de
Text zum Titelbild: Dr. Lesia Sandig-Predzymirska im Technikum; im Forschungsprojekt werden umweltschonende Methoden für das Recycling von Edelmetallen aus Elektrokatalysatoren untersucht (Foto: TU Bergakademie Freiberg/C. Mokry)
