Elektrochemie

Selbstheilende Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion

Einen Katalysator mit selbstheilenden Eigenschaften haben Chemiker am Zentrum für Elektrochemie der Ruhr-Universität Bochum entwickelt.

Das internationale Team vom Bochumer Zentrum für Elektrochemie arbeitet an ausgeklügelten Materialien für die Wasserstoffsynthese: Stefan Barwe, Dr. Corina Andronescu, Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann und Dr. Justus Masa (von links nach rechts) © RUB, Kramer

Hintergrund Ihrer Untersuchungen: Bei der Herstellung von Wasserstoff aus Wasser herrschen chemisch aggressive Bedingungen. Das verschleißt die verwendeten Katalysatoren. Praktisch wäre es, wenn sie sich selbst regenerieren würden. Dies geschieht, solange die dafür notwendigen Bestandteile in der Elektrolytlösung vorliegen. Über diesen innovativen Ansatz berichtet ein Team um Stefan Barwe, Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann und Dr. Edgar Ventosa vom Bochumer Lehrstuhl für Analytische Chemie in der Zeitschrift "Angewandte Chemie International Edition". Die Arbeiten fanden im Rahmen des Exzellenzclusters Resolv statt.

Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft. Es ist aber eine Herausforderung, stabile und effiziente Katalysatoren für seine Synthese zu finden. Diese erfolgt durch Elektrolyse von Wasser, wobei an einer Elektrode Wasserstoff, an der anderen Sauerstoff entsteht. Die Elektroden sind mit einem Katalysatorfilm überzogen, der im Verlauf der Reaktion angegriffen wird und an Wirkung verliert.

Katalysatoroberfläche bildet sich von selbst

In einer Machbarkeitsstudie zeigten die Bochumer Chemiker einen neuen Weg auf, um einen hochstabilen Katalysatorfilm zu erzeugen. Sie gaben Katalysator-Nanopartikel in Form eines Pulvers zu der Lösung hinzu, die die Elektroden umgibt. Die durch die Elektrodenräume gepumpten Partikel stoßen mit der Elektrodenoberfläche zusammen; dort bildet sich aufgrund elektrostatischer Anziehungskräfte ein Partikelfilm aus. Dabei scheiden sich Partikel mit positiv geladener Oberfläche auf der Anode und Partikel mit negativ geladener Oberfläche auf der Kathode ab. Der Katalysatorfilm setzt sich also selbstständig zusammen.

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Durch den gleichen Mechanismus regenerierte sich die Katalysatoroberfläche während der Reaktion. Neue Nanopartikel aus der Lösung wanderten zu den Elektroden und frischten dort den verschleißenden Katalysatorfilm auf. Dieser Selbstheilungseffekt hielt solange an, wie Katalysatorpartikel in der Lösung vorhanden waren.

Stabil für mehrere Tage

Die Forscher arbeiteten mit Nickelelektroden. Sie testeten zwei unterschiedliche Katalysatorpulver für die beiden Elektroden, jeweils ein auf Nickel basierendes Material und ein auf Cobalt basierendes. Alle Katalysatormaterialien bildeten einen wenige Mikrometer dicken Film auf den Elektroden, wie elektronenmikroskopische Aufnahmen bestätigten. Die Messungen ergaben außerdem, dass sich funktionstüchtige Systeme bildeten, die stabil über mehrere Tage Wasserstoff produzierten.

In weiteren Studien wollen die Chemiker nun den Einfluss von Partikelform und -größe sowie den Einfluss der Elektrolytlösung auf die Effizienz und Stabilität der Katalysatoren genauer untersuchen.

Förderung:

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft unterstützte die Arbeiten im Rahmen des Exzellenzclusters Resolv (EXC1069). Weitere Förderung kam vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Projekts "Mangan" (FKZ 03EK3548).

Originalveröffentlichung:

Stefan Barwe, Justus Masa, Corina Andronescu, Bastian Mei, Wolfgang Schuhmann, Edgar Ventosa: Overcoming the instability of nanoparticle based catalyst films in alkaline electrolysers by self-assembling and self-healing films, in: Angewandte Chemie International Edition, 2017, DOI: 10.1002/ange.201703963

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