Argonne, UChicago-Wissenschaftler schaffen Tief

13. Juni 2023

Ein reichliches Angebot an sauberer Energie ist offensichtlich. Wasserstoff kann Fahrzeuge antreiben und dabei nichts als Wasser ausstoßen; Es ist auch eine wichtige Chemikalie für viele industrielle Prozesse, insbesondere bei der Stahlherstellung und der Ammoniakproduktion.

Im Rahmen der Bekämpfung des Klimawandels suchen Wissenschaftler nach kostengünstigen Methoden zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser, um fossile Brennstoffe zu ersetzen. Um wirklich sauber zu sein, muss dieser Prozess mit erneuerbarer Energie durchgeführt werden.

Ein multiinstitutionelles Team unter der Leitung des Argonne National Laboratory, einem Labor des US-Energieministeriums, das der University of Chicago angegliedert ist, hat einen kostengünstigen Katalysator für einen Prozess entwickelt, der sauberen Wasserstoff aus Wasser gewinnt.

„Unsere Ergebnisse stellen einen vielversprechenden Weg dar, Katalysatoren aus teuren Edelmetallen durch Elemente zu ersetzen, die viel billiger und häufiger vorkommen“, sagte Studienautor Di-Jia Liu, ein leitender Chemiker an der Argonne, der eine gemeinsame Anstellung an der Pritzker School innehat für Molekulartechnik an der University of Chicago.

Der Prozess zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff wird Elektrolyse genannt und existiert seit mehr als einem Jahrhundert.

Früher verbrauchte die Technik für diesen Prozess viel Energie. Aber eine neue Technologiegeneration für diesen Prozess, sogenannte Protonenaustauschmembran-Elektrolyseure, kann bei nahezu Raumtemperatur mit höherer Effizienz laufen. Der geringere Energiebedarf macht sie zur idealen Wahl für die Produktion von sauberem Wasserstoff durch Nutzung erneuerbarer, aber intermittierender Quellen wie Sonne und Wind.

Allerdings blieben die Kosten ein Problem. Einer der Katalysatoren in diesem Prozess verwendet Iridium, dessen Marktpreis derzeit etwa 5.000 US-Dollar pro Unze beträgt. Das mangelnde Angebot und die hohen Kosten von Iridium stellen ein großes Hindernis für die breite Einführung von PEM-Elektrolyseuren dar.

Das Team konnte einen neuen Katalysator entwickeln, dessen Hauptbestandteil Kobalt ist, das wesentlich billiger als Iridium ist.

„Durch die Verwendung des mit unserer Methode hergestellten Katalysators auf Kobaltbasis könnte man den größten Kostenengpass bei der Herstellung von sauberem Wasserstoff in einem Elektrolyseur beseitigen“, sagte Liu.

Giner Inc., ein führendes Forschungs- und Entwicklungsunternehmen, das an der Kommerzialisierung von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen arbeitet, hat den neuen Katalysator anhand seiner PEM-Elektrolyseur-Teststationen unter industriellen Betriebsbedingungen evaluiert. Die Leistung und Haltbarkeit übertrafen die Katalysatoren der Konkurrenz bei weitem.

Die Leistung des Teams ist ein Fortschritt in der Hydrogen Energy Earthshot-Initiative des Energieministeriums, die den „Moon Shot“ des US-Weltraumprogramms aus den 1960er Jahren nachahmt. Das ehrgeizige Ziel besteht darin, die Kosten für die Produktion von grünem Wasserstoff innerhalb eines Jahrzehnts auf einen Dollar pro Kilogramm zu senken. Die Produktion von grünem Wasserstoff zu diesen Kosten könnte die Wirtschaft des Landes umgestalten.

Zu den Anwendungen gehören das Stromnetz, die Fertigung, der Transport sowie die Wohn- und Gewerbeheizung.

Durch das Verständnis des Reaktionsmechanismus auf atomarer Ebene unter Betriebsbedingungen können Wissenschaftler seine Leistung verfeinern.

„Wir haben die Atomstruktur auf der Oberfläche des neuen Katalysators in verschiedenen Vorbereitungsstadien abgebildet“, sagte Jianguo Wen, ein Materialwissenschaftler aus den Argonnen.

Das Team entschlüsselte mithilfe von Röntgenanalysen an der Advanced Photon Source in Argonne kritische Strukturveränderungen, die im Katalysator unter Betriebsbedingungen auftreten. Sie identifizierten auch wichtige Katalysatormerkmale mithilfe der Elektronenmikroskopie bei Sandia Labs und am Argonne Center for Nanoscale Materials.

Die Advanced Photon Source und das Center for Nanoscale Materials sind beide Nutzereinrichtungen des DOE Office of Science. Darüber hinaus lieferte die Computermodellierung im Berkeley Lab wichtige Erkenntnisse über die Haltbarkeit des Katalysators unter Reaktionsbedingungen.

Zitat: „La- und Mn-dotierter Kobaltspinell-Sauerstoffentwicklungskatalysator für die Protonenaustauschmembranelektrolyse.“ Chong et al., Science, 12. Mai 2023. Finanzierung: Büro für Energieeffizienz und erneuerbare Energien des US-Energieministeriums, vom Argonne-Labor geleitete Forschung und Entwicklung.

– Nach einem Artikel von Joseph Harmon, der erstmals im Argonne National Laboratory veröffentlicht wurde.

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