Wasserstoff, das leichteste chemische Element, hat eine besonders hohe Energiedichte und ist als – theoretisch – klimaneutraler Energieträger höchst attraktiv. Bekanntlich entsteht bei seiner Verbrennung als Nebenprodukt lediglich Wasser. In der Praxis kommt es in Bezug auf die Frage, ob es sich tatsächlich um einen emissionsfreien Brennstoff handelt, allerdings auf die Herkunft der für seine Gewinnung aufgewendeten Energie an.
Wasserstoffproduktion ist ein energieintensiver Prozess
„Bislang ist die Wasserstoffproduktion ein sehr energieintensiver Prozess“, erklärt HDT-Journal-Chefredakteur Michael Graef. Wasserstoff wird über die elektrochemische Spaltung von Wasser hergestellt, wozu Elektroden im Wasser unter Strom gesetzt werden. Von grünem Wasserstoff kann erst gesprochen werden, wenn für die Elektrolyse Strom aus erneuerbaren Energiequellen verwendet wird. „Hilfreich wäre es, wenn man zusätzlich ein energiesparenderes, effizienteres Verfahren fände“, so Graef weiter.
Unter der Leitung von Prof. Dr. Francesco Ciucci von der Universität Bayreuth scheint das jetzt einem deutsch-chinesischen Forschungsteam gelungen zu sein. Die neu entwickelte Methode soll die Produktion von Wasserstoff zugleich beschleunigen und nachhaltiger machen.
Einer trägen Reaktion Beine machen
Eine der größten Herausforderungen bei der elektrochemischen Wasserspaltung ist die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER). Bei dieser trägen Reaktion werden Wassermoleküle in ihre Bestandteile zerlegt: Sauerstoff und Wasserstoff. Die OER kann durch den Einsatz bestimmter Edelmetalle beschleunigt werden. Diese sind jedoch selten und daher teuer. Die Beschleunigung der Reaktion mithilfe von Überspannung kostet weitere Energie.
Dieser Problematik hat sich das Forschungsteam, bestehend aus Mitgliedern verschiedener Forschungseinrichtungen aus China, unter Federführung von Prof. Dr. Francesco Ciucci, Lehrstuhl für Elektrodendesign für elektrochemische Energiesysteme an der Universität Bayreuth, angenommen. Herausgekommen ist eine innovative Methode der elektrochemischen Wasserspaltung, bei der einzelne Atome des Edelmetalls Iridium als Reaktionsbeschleuniger mit Dimethylimidazol und Kobalteisenhydroxid gekoppelt werden.
Neue Anordnung der Komponenten bringt die Lösung
Die wesentliche Innovation des neuen Verfahrens liegt in der geometrischen Anordnung der Komponenten. Die aneinander gekoppelten Bestandteile der Iridium-Verbindung befinden sich nicht auf derselben Ebene. Stattdessen sind sie geometrisch verteilt, um Leistung und Effizienz zu optimieren. Hierdurch erhöht sich die OER-Aktivität erheblich. Außerdem weist sie eine extrem geringe Überspannung auf, reduziert den Edelmetallverbrauch, weil nur einzelne Iridiumatome genutzt werden, und es gibt positive Auswirkungen auf die Stabilität der Beschleunigungsreaktion.
„Unsere Studie ist ein bedeutender Fortschritt in der Entwicklung effizienter, kostengünstiger OER-Beschleunigung für eine nachhaltige Wasserstoffproduktion. Durch die Überwindung des Schlüsselproblems der derzeitigen Technologie hat unser Ergebnis das Potenzial, den globalen Übergang zu sauberen Energielösungen voranzutreiben“, sagt Ciucci, der Letztautor der Studie ist.
Weitere Informationen:
Universität Bayreuth
www.uni-bayreuth.de
Originalpublikation:
Out-of-plane coordination of iridium single atoms with organic molecules and cobalt-iron hydroxides to boost oxygen evolution reaction.
Nature Nanotechnology (2024)
https://doi.org/10.1038/s41565-024-01807-x
Bildhinweis:
Unser Titelbild entstand unter Zuhilfenahme von künstlicher Intelligenz.
