Grüner Wasserstoff: Ultradünne Nickeloxidschichten erweisen sich als überlegen

Ultradünne Nickeloxid-Beschichtungen können die Leistung von Wasserelektrolyseuren mit Anionenaustauschmembran (AEM) deutlich verbessern. Dies hat ein Team um Dr. Michelle Browne nachgewiesen: Eine nur 10 Nanometer dicke Nickeloxidschicht übertrifft dabei die Leistung von herkömmlichen Nickeloxid-Pulverelektroden, benötigt dabei jedoch weniger als 1 % des Katalysatormaterials. Die Studie ist im „Journal of Materials Chemistry A“ veröffentlicht.

Grüner Wasserstoff wird in großen Mengen für eine zukünftige fossilfreie Wirtschaft benötigt, nicht nur als energiereicher Brennstoff, sondern auch für die chemische Industrie. Wasserstoff kann durch die elektrolytische Aufspaltung von Wasser mit von Strom aus erneuerbaren Quellen nahezu klimaneutral hergestellt werden. Derzeit kommen verschiedene Arten von Elektrolyseuren zum Einsatz: Die sogenannten PEM-Elektrolyseure arbeiten bereits im industriellen Maßstab, benötigen jedoch Edelmetalle als Katalysatoren, die knapp und damit teuer sind. AEM-Elektrolyseure sind zwar weniger effizient als PEM-Elektrolyseure, kommen aber mit Nichtedelmetallen wie Nickel aus, die reichlich vorhanden sind. Der „Reifegrad“ dieser Technologie liegt jedoch noch etwas zurück. Die neuen Ergebnisse aus dem Team um Dr. Michelle Browne könnten dazu beitragen, dies zu ändern. Die Studie zeigt, wie sich die Katalysatorleistung von Nickeloxiden durch die Verwendung einer Dünnschicht anstelle von Pulver deutlich verbessern lässt.

Bessere Leistung bei geringerem Katalysatorverbrauch

Das Team verglich einen handelsüblichen Nickeloxid-Pulverkatalysator mit einer ultradünnen Nickeloxidschicht, die mit einer Beschichtungstechnik (Magnetron-Sputtering) aufgebracht worden war, die auch in der Industrie eingesetzt wird. In Labortests benötigte der Dünnschichtkatalysator weniger Energie, um die Reaktion anzutreiben, und blieb im Laufe der Zeit stabiler als die auf Pulver basierende Elektrode.

In einem AEM-Elektrolyseur erzeugten die beiden Elektroden Wasserstoff mit derselben Geschwindigkeit und verbrauchten etwa gleich viel Strom. Der Unterschied lag in der Materialbeladung: Die gesputterte Beschichtung benötigte etwa 150-mal weniger Nickeloxid als das aufgesprühte Pulver, um die gleiche Leistung zu erbringen. Zudem benötigte sie etwas weniger Spannung – ein Unterschied von etwa 4 % bei voller Leistung – und „alterte“ auch besser: Während sich die Pulverelektrode nach 65 Betriebsstunden chemisch zersetzte, blieb die dünne Beschichtung weitgehend unverändert. Das Team berichtet von einer 140-fach höheren Wasserstoffausbeute pro Gramm Katalysator. Diese Zahl bezieht sich auf den Unterschied im Materialverbrauch für den Katalysator bezogen auf die erzeugte Wasserstoffmenge.

„Wir haben unsere Katalysatoren in einer Elektrolysezelle mit einer Oberfläche von 4 cm² eingesetzt, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse für größere Anwendungen nutzbar sind“, sagt Dr. Karuppasamy Dharmaraj, Erstautor der Studie und Postdoc im Team von Michelle Browne.

Die Forschenden beobachteten außerdem, dass der Dünnschichtkatalysator während des Langzeitbetriebs seine Struktur beibehielt, während der Pulverkatalysator erhebliche chemische und strukturelle Veränderungen durchlief. An der Synchrotronquelle SOLEIL in Frankreich konnten sie ermitteln, wie sich der Katalysator während der Reaktionen veränderte. Die Messungen zeigten, dass der Dünnfilmkatalysator hauptsächlich an seiner Oberfläche aktiv wird, während er seine innere Struktur beibehält. Im Gegensatz dazu erforderte der Pulverkatalysator weitaus größere strukturelle Veränderungen, um aktiv zu werden.

Warum die Katalysatorarchitektur entscheidend ist

„Nicht nur das Katalysatormaterial selbst, sondern auch seine physikalische Form spielt eine wichtige Rolle“, erklärt Dharmaraj. Herkömmliche Pulverbeschichtungen können ungleichmäßig sein und erfordern oft Polymerbindemittel, die sich während des Betriebs zersetzen können. Die gesputterten Dünnschichten bilden eine gleichmäßige Beschichtung, wodurch der Zugang zu aktiven Reaktionsstellen verbessert und Energieverluste reduziert werden.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass sorgfältig konzipierte Dünnschichtkatalysatoren eine hohe Leistung erzielen können, während sie deutlich weniger Material verbrauchen. Es ist sehr wichtig, zu verstehen, wie diese Katalysatoren funktionieren und stabil bleiben, wenn wir effizientere und kostengünstigere Technologien für grünen Wasserstoff entwickeln wollen“, sagt Michelle Browne.