Effizienz der Wasserelektrolyse verdoppelt

Wolfgang Schuhmann entwickelt mit seinem Team neue Elektroden, zum Beispiel für die Wasserstoffproduktion / Bildquelle: RUB, Tim Kramer

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 Wasserelektrolyse gesteigert. Sie brachten eine Schicht aus Kupferatomen in eine herkömmliche Platinelektrode ein. Dadurch können sich die Reaktionszwischenprodukte etwas leichter von der Katalysatoroberfläche lösen. Das so modifizierte System erzeugt doppelt so viel Wasserstoff wie eine Platinelektrode ohne Kupferschicht.

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.

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.

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. Es wäre ein großer Schritt in Richtung klimaschonender Energieumwandlung, wenn Wasserstoff stattdessen mittels Elektrolyse gewonnen werden könnte. Dafür könnte der Überschussstrom zum Beispiel aus der Windkraft genutzt werden.

Darüber hinaus ermöglicht die Forschung an dieser Reaktion zu testen, wie gut man Katalysatoroberflächen designen kann, indem unterschiedliche Metallatome präzise positioniert werden. Dieses Wissen könnte auch vielen anderen katalytischen Prozessen zugute kommen.

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

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