Das Trio - Nickel, Palladium und Platin - für eine verbesserte Wasserstoffentwicklung
Nach Angaben des Ministeriums für Land, Infrastruktur und Verkehr werden bis 2022 rund 30.000 wasserstoffbetriebene Fahrzeuge zugelassen, was einer Verdreifachung gegenüber 2018 entspricht. Allerdings verfügt das Land nur über 135 Wasserstofftankstellen. Um den Zugang zu wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen zu verbessern und Wasserstoff als tragfähige Energiequelle zu etablieren, müssen die Kosten für die Wasserstoffproduktion gesenkt werden, um die wirtschaftliche Machbarkeit zu erreichen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist die Maximierung der Effizienz der Elektrolyse-Wasserstoff-Evolution, des Prozesses zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser, von entscheidender Bedeutung.
Illustration des Mechanismus des Dreimetall-Hybrid-Nanokatalysators für die Wasserstoffentwicklung
POSTECH
Schema der Synthese und der Wasserstoffentwicklung des dreimetalligen Hybridkatalysators
POSTECH
Kürzlich gelang einem Forscherteam, bestehend aus Professor In Su Lee, Forschungsprofessor Soumen Dutta und Byeong Su Gu vom Fachbereich Chemie der Pohang University of Science and Technology (POSTECH), durch die Entwicklung eines Platin-Nanokatalysators eine deutliche Verbesserung der Produktionseffizienz von Wasserstoff, einer grünen Energiequelle. Dies gelang ihnen durch die schrittweise Abscheidung von zwei verschiedenen Metallen. Die Ergebnisse ihrer Forschung wurden in der angesehenen Fachzeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht.
Die selektive Abscheidung verschiedener Materialien auf bestimmten Stellen einer Katalysatoroberfläche, deren Größe im Nanometerbereich liegt, stellt eine große Herausforderung dar. Unbeabsichtigte Ablagerungen können die aktiven Stellen des Katalysators blockieren oder sich gegenseitig in ihrer Funktion beeinträchtigen. Dieses Dilemma hat die gleichzeitige Abscheidung von Nickel und Palladium auf einem einzigen Material verhindert. Nickel ist für die Aktivierung der Wasserspaltung verantwortlich, während Palladium die Umwandlung von Wasserstoffionen in Wasserstoffmoleküle ermöglicht.
Das Forscherteam entwickelte einen neuartigen Nanoreaktor, mit dem sich die Lage der auf einem flachen 2D-Nanokristall abgeschiedenen Metalle genau steuern lässt. Darüber hinaus entwickelten sie einen nanoskaligen Feinabscheidungsprozess, der es ermöglicht, verschiedene Facetten des 2D-Platin-Nanokristalls mit unterschiedlichen Materialien zu beschichten. Dieser neue Ansatz führte zur Entwicklung eines "Platin-Nickel-Palladium"-Dreimetall-Hybridkatalysatormaterials, das durch aufeinanderfolgende Abscheidungen erreicht wurde, bei denen die flache Oberfläche und der Rand des 2D-Platin-Nanokristalls selektiv mit Palladium- bzw. Nickel-Dünnschichten bedeckt wurden.
Der Hybridkatalysator zeichnet sich durch ausgeprägte Nickel/Platin- und Palladium/Platin-Grenzflächen aus, die so angeordnet sind, dass sie die Prozesse der Wasserspaltung bzw. der Erzeugung von Wasserstoffmolekülen erleichtern. Das Zusammenwirken dieser beiden unterschiedlichen Prozesse steigerte die Effektivität der Elektrolyse-Wasserstoffentwicklung erheblich.
Die Forschungsergebnisse zeigten, dass der Dreimetall-Hybrid-Nanokatalysator im Vergleich zum herkömmlichen Platin-Kohlenstoff-Katalysator eine 7,9-fache Steigerung der katalytischen Aktivität aufwies. Darüber hinaus wies der neuartige Katalysator eine erhebliche Stabilität auf und behielt seine hohe katalytische Aktivität auch nach einer verlängerten Reaktionszeit von 50 Stunden bei. Damit wurde das Problem der funktionellen Interferenzen oder Kollisionen zwischen den Heterooberflächen gelöst.
Professor In Su Lee, der die Forschung leitete, äußerte sich optimistisch: "Wir haben erfolgreich harmonische Heteroschnittstellen auf einem Hybridmaterial entwickelt und damit die Herausforderungen des Prozesses überwunden." Er fügte hinzu: "Ich hoffe, dass die Forschungsergebnisse bei der Entwicklung von katalytischen Materialien, die für Wasserstoffreaktionen optimiert sind, breite Anwendung finden werden."
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