Herausforderungen bei der Produktion von grünem Wasserstoff offenlegen
Internationales Forscherteam deckt nachteilige Auswirkungen von Wasserstoff auf Katalysatoren auf
Die Suche nach Wasserstoff als saubere und nachhaltige Energiequelle hat an Dynamik gewonnen. Zur Erzeugung von grünem Wasserstoff muss Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten werden. Dieser Prozess der Wasserspaltung wird durch Elektrokatalysatoren erleichtert, die die chemische Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen. Im Idealfall wird ein Katalysator durch die Reaktion weder verändert noch abgebaut, und bei Elektrolyseuren ist dies von entscheidender Bedeutung, da die Elektrokatalysatoren 50 % der Gesamtkosten ausmachen. Daher sind ihre Effizienz und Lebensdauer entscheidend für die künftige Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff und damit für eine kohlenstofffreie Wirtschaft. Ein Forscherteam unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung (MPIE) hat herausgefunden, warum diese Katalysatoren sich tatsächlich verschlechtern und eine kürzere Lebenserwartung haben. Ihre Arbeit zeigt, dass der erzeugte Wasserstoff selbst der Engpass ist. Die Wissenschaftler haben ihre Ergebnisse jetzt in der Fachzeitschrift ACS Energy Letters veröffentlicht.
Auswirkungen von Wasserstoff auf die katalytische Leistung
Bisherige Forschungen konzentrierten sich vor allem auf die Optimierung der Katalysatorleistung, ohne Analyse auf atomarer Ebene. Das Max-Planck-Team verfolgte jedoch einen anderen Ansatz. "Unsere Ergebnisse zeigten, dass während der Synthese Verunreinigungen eingebracht werden. Überraschenderweise entdeckten wir, dass Borverunreinigungen die Leistung des Katalysators durch die Erweiterung seiner Gitterstruktur verbessern können. Wir haben jedoch beobachtet, dass die katalytische Aktivität nach einer bestimmten Menge produzierten Wasserstoffs abnimmt und wollten verstehen, warum dies geschieht, um Wege zu finden, die Leistung aufrechtzuerhalten", erklärt Prof. Baptiste Gault, korrespondierender Autor der Veröffentlichung und Leiter der Gruppe "Atomsondentomographie" am MPIE. Die Atomsondentomographie und die auf der Dichtefunktionaltheorie basierenden Simulationen haben gezeigt, dass mit der Anreicherung von Wasserstoff auf der Oberfläche des Katalysators das Bor allmählich aus der Gitterstruktur entfernt wird. Diese Wechselwirkung verschlechtert die Leistung des Katalysators, da die Konzentration der Bor-Dotierstoffe sinkt.
Die nächsten Schritte: Schutz der katalytischen Dotierstoffe vor Wasserstoff
"Unsere Ergebnisse zeigen, dass es nicht ausreicht, die katalytische Aktivität mit Bor als Dotierstoff zu erhöhen. Wir müssen Lösungen finden, um das Bor innerhalb der Gitterstruktur des Katalysators vor dem Wasserstoff zu schützen, der an der Oberfläche des Katalysators entsteht", sagt Prof. Se-Ho Kim, zweiter korrespondierender Autor der Veröffentlichung, ehemaliger Postdoktorand am MPIE und jetzt Assistenzprofessor an der Universität Korea.
Diese Forschung wurde durch die Finanzierung des Europäischen Forschungsrats im Rahmen des Shine-Projekts unter der Leitung von Gault ermöglicht. Sie stellt einen großen Fortschritt in unserem Verständnis der Erzeugung von grünem Wasserstoff dar und ebnet den Weg für eine nachhaltigere und kostengünstigere Zukunft im Bereich der erneuerbaren Energien.
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