Pentlandit als Platinersatz

Neuer Katalysator für die Wasserstoffproduktion

Mithilfe von Platinkatalysatoren lässt sich Wasserstoff effizient herstellen. Aber das Metall ist selten und teuer. Forscher haben eine genauso gute, aber günstigere Alternative entdeckt.

Es müssen nicht immer Edelmetalle sein: Ulf-Peter Apfel und seine Kollegen haben ein neues vielversprechendes Katalysatormaterial entdeckt. (© RUB, Kramer)

Das Mineral Pentlandit ist ein potenzieller neuer Katalysator für die Wasserstoffproduktion. Forscher beschreiben in der Zeitschrift „Nature Communications", dass es genauso effizient arbeitet wie heute übliche Platinelektroden. Im Gegensatz zu Platin ist Pentlandit günstig und kommt häufig auf der Erde vor.

Ein Team um Dr. Ulf-Peter Apfel und Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann von der Ruhr-Universität Bochum beschreibt die Ergebnisse gemeinsam mit Kollegen vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr und der Technischen Universität in Bratislava.

Wasserstoff herstellen ohne Edelmetalle

Neben Platin gibt es eine Reihe weiterer Substanzen, welche die Reaktion von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff katalysieren können und keine teuren Edelmetalle beinhalten. Dazu zählen die sogenannten Metall-Chalkogenide. Gewöhnlicherweise leiten diese Nicht-Edelmetall-Materialien Elektronen jedoch deutlich schlechter als Platin und sind somit ineffizientere Katalysatoren.

Pentlandit besteht aus Eisen, Nickel und Schwefel. Es ist ähnlich aufgebaut wie das aktive Zentrum von Hydrogenasen, also wasserstoffproduzierenden Enzymen, die zum Beispiel in Grünalgen vorkommen. In der aktuellen Studie verglichen die Forscher die Wasserstoffproduktionsrate von natürlich gewonnenem und künstlich hergestelltem Pentlandit mit Platin und weiteren Nicht-Edelmetall-Katalysatoren.

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Mineral Pentlandit ebenso gut wie Platin

Künstliches Pentlandit und Platin erwiesen sich als gleich gute Katalysatoren, die alle übrigen getesteten Materialien in ihrer Leistung übertrafen. Das im Labor synthetisierte Mineral stellte deutlich effizienter Wasserstoff her als die natürlich vorkommende Variante. Der Grund: Einschlüsse aus Magnesium und Silicium in natürlichem Pentlandit mindern seine Leitfähigkeit. Als „überraschend hoch" bezeichneten die Wissenschaftler den Output von künstlichem Pentlandit, dessen Syntheserate darüber hinaus über lange Zeit stabil blieb.

Das Mineral hat einen weiteren Vorteil gegenüber anderen Nicht-Edelmetall-Materialien. Es besitzt eine große aktive Oberfläche, an der die miteinander reagierenden Substanzen andocken können. Bei anderen Nicht-Edelmetall-Materialien muss diese Oberfläche aufwendig geschaffen werden, indem man den Katalysator in Form von vielen Nanokugeln auf eine Elektrode aufbringt.

Förderung

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft förderte die Arbeiten im Rahmen des Exzellenzclusters Resolv (EXC1069) und des Emmy-Noether-Projekts AP242/2-1. Weitere finanzielle Unterstützung kam vom Fonds der Chemischen Industrie durch ein Liebig-Stipendium.

Originalveröffentlichung:

Bharathi Konkena, Kai junge Puring, Ilya Sinev, Stefan Piontek, Oleksiy Khavryuchenko, Johannes P. Dürholt, Rochus Schmid, Harun Tüysüz, Martin Muhler, Wolfgang Schuhmann, Ulf-Peter Apfel: Pentlandite rocks as highly efficient, sustainable and stable electrocatalysts for H2 generation, in: Nature Communications, 2016, DOI: 10.1038/NCOMMS12269.

Weitere Informationen:

Dr. Ulf-Peter Apfel, Anorganische Chemie 1, Fakultät für Chemie und Biochemie, Ruhr-Universität Bochum, E-Mail: ulf.apfel@rub.de.

Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann, Analytische Chemie, Zentrum für Elektrochemie, Fakultät für Chemie und Biochemie, Ruhr-Universität Bochum, E-Mail: wolfgang.schuhmann@rub.de.

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