AEM-Elektrolyseure: Grüner Wasserstoff ohne Edelmetall

An der Berliner Synchrotronquelle BESSY II konnte das Team die katalytischen Prozesse detailliert untersuchen. In Freiburg wurden Prototyp-Zellen mit einem neuen Beschichtungsverfahren gebaut und im Betrieb getestet. Die Ergebnisse wurden im renommierten Fachjournal Nature Catalysis veröffentlicht.

Wasserstoff wird im Energiesystem der Zukunft eine zentrale Rolle spielen – als Energiespeicher, Brennstoff und wichtiger Rohstoff für die Chemieindustrie. Klimaneutral kann Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser erzeugt werden, sofern die Energie aus Sonnen- oder Windkraft stammt.

Der Ausbau der grünen Wasserstoffwirtschaft stützt sich derzeit vor allem auf zwei Systeme: die protonenleitende Membranelektrolyse (PEM) und die klassische alkalische Elektrolyse. AEM-Elektrolyseure verbinden die Vorteile beider Systeme und kommen ohne seltene Edelmetalle wie Iridium aus.

Die Forschungsteams aus der TU Berlin und dem HZB haben nun gemeinsam mit dem Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Uni Freiburg und Siemens Energy erstmals einen Elektrolyseur vorgestellt, der nahezu so effizient Wasserstoff produziert wie ein PEM-Elektrolyseur. Statt Iridium verwenden sie Nickel-Doppelhydroxidverbindungen, kombiniert mit Eisen, Kobalt oder Mangan, und entwickelten ein Verfahren, um damit eine alkalische Ionenaustauschmembran direkt zu beschichten.

Grüner Wasserstoff: Effiziente Elektrolyse ohne Iridium

Während der Elektrolyse in der Zelle konnten sie operando-Messungen an der Berliner Röntgenquelle BESSY II an der LIXEdrom Endstation durchführen. Ein Theorie-Team aus Singapur und USA half dabei, die experimentellen Daten zu interpretieren.

„Dadurch gelang es uns, die relevanten katalytisch-chemischen Prozesse an der katalysatorbeschichteten Membran aufzuklären, insbesondere den Phasenübergang von einer katalytisch inaktiven Alpha-Phase zur hochaktiven Gamma-Phase und die Rolle, welche die verschiedenen O-Liganden und Ni4+-Zentren bei der Katalyse spielen“, erklärt Prof.

Peter Strasser, TU Berlin. „Erst diese Gamma-Phase macht unseren Katalysator konkurrenzfähig mit den aktuellen state-of-the-art Katalysatoren aus Iridium. Unsere Arbeit zeigt wichtige Gemeinsamkeiten zu Iridium im katalytischen Mechanismus, aber auch völlig überraschende molekulare Unterschiede."

Beschichtungsverfahren zeigt Potenzial für industrielle Anwendung

Diese Untersuchung erweitert das Verständnis der grundlegenden Katalysemechanismen der neuen nickelbasierten Elektrodenmaterialien erheblich. Das neu entwickelte Beschichtungsverfahren für die Membranelektrode verspricht zudem eine hohe Skalierbarkeit. Am IMTEK wurde bereits eine erste voll funktionsfähige Kleinzelle getestet. Die Ergebnisse legen damit den Grundstein für eine industrielle Evaluierung und zeigen, dass auch ein AEM-Wasserelektrolyseur sehr effizient sein kann.

Originalpublikation:
High-performance anion-exchange membrane water electrolyzers using NiX (X = Fe,Co,Mn) catalyst-coated membranes with redox-active Ni–O ligands; M. Klingenhof, H. Trzesniowski S. Koch, J. Zhu, Z. Zeng, L. Metzler, A. Klinger, M. Elshamy, F. Lehmann, P. W. Buchheister, A. Weisser, G. Schmid, S. Vierrath, F. Dionigi & P. Strasser DOI: 10.1038/s41929-024-01238-w

Quelle: Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH