Neuer Katalysator zur Herstellung von grünem Wasserstoff mit Hilfe von Wasser

Er Wasserstoff Es ist ein vielversprechendes chemisches und energetisches Element zur Dekarbonisierung unserer Gesellschaft. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kraftstoffen entsteht bei der Verwendung als Kraftstoff kein Kohlendioxid. Leider stammt der Großteil des in unserer Gesellschaft produzierten Wasserstoffs heute aus Methan, einem fossilen Brennstoff. Dies geschieht in einem Prozess (Methanreformierung), der zu erheblichen Kohlendioxidemissionen führt.

Daher erfordert die Produktion von grünem Wasserstoff skalierbare Alternativen zu diesem Verfahren. Einer davon ist der Wasserelektrolyse, das einen Weg zur Erzeugung bietet, der mit erneuerbarer Energie und sauberem Strom betrieben werden kann. Dieser Prozess benötigt kathodische und anodische Katalysatoren, um die Spaltungs- und Rekombinationsreaktionen von Wasser in Wasserstoff bzw. Sauerstoff zu beschleunigen, da diese sonst ineffizient wären.

Seit ihrer Entdeckung im späten 18. Jahrhundert hat sich die Wasserelektrolyse zu verschiedenen Technologien entwickelt. Eine seiner vielversprechendsten Implementierungen ist die Protonenaustauschmembran (PEMfür sein Akronym auf Englisch), das durch die Kombination hoher Raten und hoher Energieeffizienz grünen Wasserstoff produzieren kann.

Bisher waren für die Wasserelektrolyse und insbesondere für PEM Katalysatoren erforderlich, die auf knappen und seltenen Elementen basieren, wie z Platin und Iridium, unter anderen. Nur wenige Verbindungen vereinen die Aktivität und Stabilität, die in der rauen chemischen Umgebung dieser Reaktion erforderlich sind. Dies ist besonders kompliziert im Fall von anodischen Katalysatoren, die in stark korrosiven sauren Umgebungen betrieben werden müssen, Bedingungen, bei denen nur Iridiumoxide unter den erforderlichen industriellen Bedingungen einen stabilen Betrieb gezeigt haben. Aber Iridium ist eines der seltensten Elemente auf dem Planeten.

Iridiumfreier Katalysator

Auf der Suche nach möglichen Lösungen ist einem Team von Wissenschaftlern kürzlich ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu Alternativen zu Iridiumkatalysatoren gelungen. Diesem multidisziplinären Team ist es gelungen, eine neuartige Methode zu entwickeln, um einem Katalysator ohne Iridium Aktivität und Stabilität zu verleihen und dabei die bisher unerforschten Eigenschaften von Wasser zu nutzen. Der neue Katalysator erreicht erstmals Stabilität bei der Elektrolyse von Wasser durch PEM unter industriellen Bedingungen ohne den Einsatz von Iridium.

Diese Vorschau, veröffentlicht in Wissenschaftwurde von Forschern des Institute of Photonic Sciences durchgeführt (ICFOin Barcelona) unter der Leitung von Professor F. Pelayo García de Arquer und umfasst wichtige Kooperationen mit dem Chemischen Forschungsinstitut von Katalonien (ICIQ), dem Katalanischen Institut für Wissenschaft und Technologie (ICN2) und dem französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung (CNRS). , Diamond Light Source und das Institute for Advanced Materials (INAM).

Kombinieren Sie Aktivität und Stabilität auf höchstem Niveau Säure es ist eine Herausforderung. Die Katalysatormetalle neigen dazu, sich aufzulösen, da die meisten Materialien bei niedrigen pH-Werten und angelegtem Potential in einer wässrigen Umgebung thermodynamisch nicht stabil sind. Iridiumoxide vereinen Aktivität und Stabilität unter diesen rauen Bedingungen und sind daher die erste Wahl für Anoden bei der Protonenaustausch-Wasserelektrolyse.

Ich suche Alternativen zu Iridium Es handelt sich nicht nur um eine wichtige angewandte Herausforderung, sondern um eine grundlegende. Intensive Forschung auf der Suche nach iridiumfreien Katalysatoren hat zu neuen Erkenntnissen über Reaktions- und Abbaumechanismen geführt, insbesondere durch den Einsatz von Sonden, die Katalysatoren während des Betriebs in Kombination mit Computermodellen untersuchen könnten.

Dies führte zu vielversprechenden Ergebnissen Materialien auf Basis von Mangan und Kobaltoxidund Nutzung verschiedener Strukturen, Zusammensetzungen und Dotierstoffe, um die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Katalysatoren zu modifizieren.

Obwohl aufschlussreich, wurden die meisten dieser Studien in kritischen Reaktoren durchgeführt, die nicht skalierbar waren und unter härteren Bedingungen betrieben wurden. weich, die vor allem im Hinblick auf die Stromdichte noch weit von ihrer endgültigen Anwendung entfernt sind. Bisher war es schwierig, Aktivität und Stabilität mit Nicht-Iridium-Katalysatoren in PEM-Reaktoren und unter für diese Art von Technologie relevanten Betriebsbedingungen nachzuweisen.

Eine auf Kobalt basierende Strategie

Um diese Herausforderung zu meistern, entwickelten die Autoren einen neuen Ansatz für die Entwicklung von Katalysatoren ohne Iridium, um Aktivität und Stabilität in sauren Medien zu erreichen. Seine Strategie basiert auf Kobalt (sehr reichlich vorhanden und günstig), unterschied sich stark von den üblichen Routen.

„Bei der Entwicklung herkömmlicher Katalysatoren liegt der Schwerpunkt meist auf der Veränderung der Zusammensetzung oder Struktur der verwendeten Materialien. Hier verfolgen wir einen anderen Ansatz. Wir haben ein neues Material entwickelt, das die Reaktionsbestandteile (Wasser und seine Fragmente) aktiv in seine Struktur einbezieht. „Wir haben herausgefunden, dass der Einbau von Wasser und Wasserfragmenten in die Katalysatorstruktur maßgeschneidert werden kann, um sie unter diesen anspruchsvollen Bedingungen zu schützen und so einen stabilen Betrieb bei hohen Stromdichten zu ermöglichen, die für industrielle Anwendungen relevant sind“, erklärt der ICFO-Professor. García de Arquer.

Mit seiner Technik, die aus einem Delaminierungsprozess besteht, bei dem ein Teil des Materials gegen Wasser ausgetauscht wird, stellt der resultierende Katalysator eine praktikable Alternative zu Katalysatoren auf Iridiumbasis dar.

Neuer Ansatz mit Delamination

Um den Katalysator zu erhalten, untersuchte das Team ein bestimmtes Kobaltoxid: Kobalt-Wolfram-Oxid (CoWO₄), oder kurz CWO. Ausgehend von diesem Ausgangsmaterial entwickelten sie einen Delaminierungsprozess unter Verwendung basischer wässriger Lösungen, durch den Wolframoxide (WO₄^2-) würde aus dem Netz genommen und gegen Wasser (H₂O) und Hydroxylgruppen (OH^–) in einer einfachen Umgebung.

Dieser Prozess könnte angepasst werden, um unterschiedliche Mengen an H einzuarbeiten₂O und OH^– im Katalysator, der dann in die Anodenelektroden eingebaut würde.

Das Team hat sich zusammengeschlossen verschiedene Spektroskopien basierend auf Photonen, um diese neue Materialklasse im Betrieb zu verstehen. Technologie nutzen Infrarot-Raman und Röntgenstrahlenkonnten unter anderem das Vorhandensein von eingeschlossenem Wasser und Hydroxylgruppen bewerten und Informationen über deren Rolle bei der Verleihung von Aktivität und Stabilität bei der Spaltung von Wasser in Säure erhalten.

„Eingeschlossenes Wasser erkennen zu können, war für uns eine echte Herausforderung“, fährt der Co-Hauptautor fort. Anku Guha vom ICFO, der hinzufügt: „Mithilfe der Raman-Spektroskopie und anderen lichtbasierten Techniken konnten wir schließlich feststellen, dass sich Wasser in der Probe befand. Aber es war kein „freies“ Wasser, es war begrenztes Wasser; etwas, das einen tiefgreifenden Einfluss auf die Leistung hatte.

Basierend auf diesem Wissen begannen sie, eng mit Experten für Katalysatormodellierung zusammenzuarbeiten. „Die Modellierung aktivierter Materialien ist eine Herausforderung, da große strukturelle Umlagerungen auftreten. In diesem Fall erhöht die bei der Aktivierungsbehandlung verwendete Delaminierung die Anzahl der aktiven Stellen und verändert den Reaktionsmechanismus, wodurch das Material aktiver wird. Um diese Materialien zu verstehen, ist eine detaillierte Zuordnung zwischen experimentellen Materialien erforderlich.“ Beobachtungen und Simulationen“, sagt ein anderer der Autoren, Núria López von ICIQ.

Ihre Berechnungen, angeführt vom Haupt-Co-Autor, Hind Benzidiebenfalls von ICIQ, waren entscheidend für das Verständnis, wie delaminierte, wassergeschützte Materialien nicht nur thermodynamisch vor der Auflösung in stark sauren Umgebungen geschützt, sondern auch aktiv waren.

Die „Magie“ von Wasser und Hydroxid

Aber wie ist das möglich? Grundsätzlich ist die Beseitigung von Wolframoxid hinterlässt ein Loch hinter, genau an der Stelle, wo es vorher war. Hier geschieht die „Magie“: Wasser und Hydroxiddie in der Umwelt sehr präsent sind, füllen spontan Das Vakuum.

Dies wiederum, Schützen Sie die Probeda dadurch die Auflösung von Kobalt zu einem ungünstigen Prozess wird und die Katalysatorkomponenten effektiv zusammengehalten werden.

Anschließend montierten sie den delaminierten Katalysator in einem PEM-Reaktor. Die anfängliche Leistung war wirklich bemerkenswert und erzielte eine größere Aktivität und Stabilität als jede frühere Technik. „Wir haben die Stromdichte um das Fünffache erhöht und 1 A/cm erreicht², ein sehr komplizierter Meilenstein auf diesem Gebiet. Aber der Schlüssel ist, dass wir bei einer so hohen Dichte auch eine Stabilität von über 600 Stunden erreicht haben. Damit haben wir die höchste Stromdichte und auch die höchste Stabilität für Katalysatoren ohne Iridium erreicht“, teilt der andere Haupt-Co-Autor mit. Lu Xiavon ICFO.

„Zu Beginn des Projekts waren wir von der möglichen Rolle des Wassers selbst fasziniert, das der ‚Elefant im Raum‘ der Wasserelektrolyse sein könnte“, erklärt Ranit Ram, Erstautor der Studie und Förderer der ursprünglichen Idee des ICFO. „Bisher hatte noch niemand aktiv Wasser und Grenzflächenwasser auf diese Weise angepasst“, betont er. Am Ende stellte sich heraus, dass dies ein echter Wendepunkt war.

Auch wenn die Stabilitätszeit noch weit von der heutiger industrieller PEMs entfernt ist, stellt dies einen großen Schritt hin zur Unabhängigkeit von Iridium oder ähnlichen Elementen dar. Insbesondere bietet seine Arbeit neue Erkenntnisse für das Design von PEMs für die Wasserelektrolyse, da es das Potenzial hervorhebt, die Katalysatortechnik aus einer anderen Perspektive anzugehen; Wir nutzen aktiv die Eigenschaften des Wassers.

Auf dem Weg zur Industrialisierung

Das Team erkannte ein solches Potenzial in der Technik, dass es bereits ein Patent angemeldet hat, mit dem Ziel, es auf industrielle Produktionsniveaus auszuweiten. Sie sind sich jedoch bewusst, dass dieser Schritt nicht trivial ist, wie Professor García de Arquer betont: „Die KobaltDa es häufiger vorkommt als Iridium, bleibt es ein sehr besorgniserregendes Material, unter Berücksichtigung der Herkunft. Deshalb arbeiten wir an Alternativen auf Basis von Mangan, Nickel und vielen anderen Materialien. Bei Bedarf gehen wir das gesamte Periodensystem durch. Und wir werden mit ihnen diese neue Strategie zur Entwicklung von Katalysatoren erforschen und testen, über die wir in unserer Studie berichtet haben.“

Trotz der sicherlich neuen Herausforderungen ist das Team vom Potenzial dieses Delaminationsverfahrens überzeugt und alle Mitglieder sind entschlossen, dieses Ziel zu verfolgen. Insbesondere Ram teilt mit: „Eigentlich wollte ich schon immer Werbung machen erneuerbare Energie, weil sie uns als menschliche Gemeinschaft im Kampf gegen den Klimawandel helfen werden. „Unsere Studien haben einen kleinen Schritt in die richtige Richtung beigetragen.“