Anodenmodelle für die grüne Wasserstoffproduktion
Forschende der Abteilung Interface Science am Fritz-Haber-Institut der
Max-Planck-Gesellschaft haben Experimente mit atomar definierten
Modellanoden durchgeführt, um die komplexen Details der
elektrokatalytischen Wasserspaltung aufzudecken, mit dem Ziel, die grüne
H2-Produktion voranzutreiben.
Der fortschreitende Klimawandel stellt eine ernsthafte Bedrohung für die
Menschheit dar und betrifft das Leben aller, was Maßnahmen zur Einführung
einer nachhaltigeren Energieökonomie erfordert. Die Produktion von
"grüner" Energie ist eine entscheidende Komponente. Die Energieerzeugung
muss jedoch von wirtschaftlichen Speicher- und Transportmethoden begleitet
werden. "Grüner" Wasserstoff (H2) dient sowohl als Speichermedium als auch
als Transportmittel und kann in andere nützliche industrielle Produkte und
Energieträger wie Ammoniak umgewandelt wird. Er kann durch Elektrolyse
mittels Zersetzung von Wassermolekülen mit "grüner" elektrischer Energie
hergestellt werden. In einer elektrokatalytischen Zelle wird molekularer
Wasserstoff an der Kathode erzeugt, während die Anode molekularen
Sauerstoff (O2) produziert.
Die O2-Produktion an der Anode ist ein komplexer mehrstufiger Prozess, was
es schwierig macht, energieeffiziente Anoden zu entwerfen. Aus diesem
Grunde konzentriert sich ein Großteil der Forschung zur Wasserspaltung auf
die Anode und nicht auf die Kathode. In realen Elektrolyseuren besitzen
Anoden komplexe chemische Zusammensetzungen und Strukturen, was
problematisch für ein grundlegendes Verständnis der Elektrolyseprozesse
ist. Relevante Information ist in den Messdaten schwer zu isolieren. Um
dieses Problem anzugehen, haben Wissenschaftler*innen der Abteilung
Interface Science am FHI einen experimentellen Ansatz entwickelt, bei dem
die komplexe Anode durch ein einfacheres Modellsystem ersetzt wird.
In diesem Ansatz handelt es sich bei der Modellanode um einen
wohldefinierten kristallinen dünnen Oxidfilm, was kontrollierte
Variationen seiner ursprünglichen Zusammensetzung und Struktur ermöglicht.
Um höchstmögliche Reinheit sicherzustellen, werden die Anoden unter
Ultrahochvakuum-Bedingungen hergestellt und bei allen nachfolgenden
Studien wird vermieden, die Proben der Umgebungsluft auszusetzen. Diese
strikte Methodik schützt die Anode vor Kontamination und daraus
resultierende problematische Auswirkungen auf die Qualität der
experimentellen Daten. Die genaue Kenntnis der Anodeneigenschaften bis hin
zur atomaren Struktur ist ein zentraler Aspekt des Ansatzes. Der
Schwerpunkt liegt darauf, zentrale Aspekte der Wasserspaltungskatalyse zu
untersuchen, einschließlich mechanistischer mikroskopischer Details der
O2-Bildungsreaktion, der aktiven Zentren, der Elektrodenalterung und dem
Einfluss der Struktur und Zusammensetzung der Anode auf die Leistung des
Elektrolyseurs. Es ist bekannt, dass sich unter Reaktionsbedingungen eine
Oxyhydroxidschicht auf der Anodenoberfläche bildet, aber die Eigenschaften
dieser Schicht sowie die optimale Struktur, Dicke und Zusammensetzung sind
noch unbekannt. Es ist jedoch allgemein akzeptiert, dass eine strukturelle
Transformation während der O2-Produktion stattfindet, die zu ähnlichen
Resultaten führt, unabhängig von der ursprünglichen Struktur der Anode.
Andererseits, wie gezeigt werden konnte, bestimmen die ursprünglichen
Eigenschaften der Anode die Transformation während des Betriebs und
letztendlich die Langzeitaktivität und Stabilität des Elektrolyseurs.
Es ist allgemein bekannt, dass die Zugabe von Eisen zu Kobaltoxid-Anoden
deren Leistung signifikant verbessert. Der zugrunde liegende Mechanismus
wird aktuell noch diskutiert. Ein umfassendes Verständnis der spezifischen
Rolle des Eisens ist entscheidend für die Optimierung von
Reaktionsumsatzes solcher Anoden. Mit dem Ziel, Beiträge zum Verständnis
der Rolle des Eisens zu liefern führten wir eine Studie an dünnen
kristallinen Co/Fe Mischoxidanoden mit verschiedenen Co:Fe-
Konzentrationsverhältnissen durch. Die einfache Struktur der Modellanoden
und ihre strikt definierte chemische Zusammensetzung ermöglichte es uns,
eine quantitative Beziehung zwischen dem Umsatz bei der O2-Bildung und der
Zusammensetzung und der Struktur des Oxids herzustellen, wo der
vorteilhafte Effekt der Eisenzugabe offensichtlich wurde.
Stabilitätsstudien zeigten weitere zeitabhängige Umsatzverbesserungen, die
auf die Auflösung des Eisens im Elekrolyten zurückzuführen sind.
Letztendlich führt dieser Prozess zur Bildung einer stabilen und
hochaktiven Anode.
Die Studie zielt auf die Erzielung von Erkenntnissen, welche helfen, die
Kosten für die Herstellung und den Betrieb von Elektrolyseuren zu
minimieren. Die Kostensenkung durch die Umstellung auf alkalische
Reaktionsbedingungen und die Verwendung von leicht verfügbaren
preisgünstigen Materialien sind von entscheidender Bedeutung für die
Verbreitung einer auf H2 basierenden Energieökonomie. Die derzeitige
Elektrolysetechnologie verwendet teure Metalle wie Iridium und Platin für
die energieeffiziente Elektrolyse. Der Ersatz dieser teuren Metalle durch
die kostengünstigeren Kobalt- und Eisenoxide würde die Gesamtkosten der
Wasserspaltung senken und die wirtschaftliche Attraktivität dieses
Prozesses erhöhen. Die elektrische Effizienz ist ein weiterer
entscheidender Kostenfaktor, der von Details der chemischen
Zusammensetzung und Struktur der Elektroden abhängt. Diese Studie zielt
darauf ab, unser Verständnis der Zusammenhänge zwischen den
Elektrodeneigenschaften und ihrer Leistungsfähigkeit zu vertiefen, um
Verfahren für die Herstellung von hocheffizienten Elektroden zu
verbessern.
Diese Forschung wurde im Rahmen des von der DFG geförderten Transregio
247-Projekts durchgeführt und wurde auch vom BMBF-Projekt CATLAB
unterstützt. Die Ergebnisse dieser Studie wurden in Nature Communications
veröffentlicht.
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