Klimaneutrale Energieversorgung Wasserstoffelektrolyse: Günstiger mit neuartigem Elektrodenmaterial

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Forscher in China und Singapur haben ein kostengünstiges multifunktionales Elektrodenmaterial auf Basis von Kobalt und Nickel für eine effiziente elektrokatalytische Wasserstoffproduktion entwickelt.

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Effiziente Wasser- und Harnstoffelektrolyse an bimetallischen Dotter/Schale-Nanopartikeln.
Effiziente Wasser- und Harnstoffelektrolyse an bimetallischen Dotter/Schale-Nanopartikeln.
(Bild: Wiley-VCH)

Mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen betriebene Wasserstoffelektrolyse gilt als ein umweltfreundlicher Weg zur Linderung der globalen Klima- und Energieproblematik. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellt ein Forschungsteam jetzt ein neuartiges kostengünstiges Elektrodenmaterial vor, das eine hocheffiziente, energiesparende Wasserstoffproduktion in Aussicht stellt: poröse phosphorisierte CoNi2S4-Dotter/Schale-Nanokugeln.

Katalytisch wirksame Elektroden beschleunigen die Elektrolyse

Leider verlaufen beide Teilreaktion der Wasserelektrolyse – Wasserstoff- und Sauerstoffbildung – nur langsam und benötigen viel Strom. Katalytisch wirksame Elektroden, vor allem auf der Basis von Edelmetallen, können die elektrochemischen Prozesse beschleunigen und ihre Energieeffizienz verbessern. Einer Anwendung im großen Maßstab stehen jedoch die erheblichen Kosten, begrenzten Ressourcen und mangelnde Stabilität im Weg. Alternativen auf Basis häufig vorkommender, kostengünstiger Metalle funktionieren dagegen meist nicht zufriedenstellend für beide Teilreaktionen.

Multifunktionales Elektrodenmaterial auf Basis von Kobalt und Nickel

Das Team um Shuyan Gao (Henan Normal University, China) und Xiong Wen (David) Lou (Nanyang Technological University, Singapur) hat jetzt ein neuartiges kostengünstiges multifunktionales Elektrodenmaterial auf Basis von Kobalt (Co) und Nickel (Ni) für eine effiziente elektrokatalytische Wasserstoffproduktion entwickelt. Zur Herstellung werden Nanokügelchen aus Kobalt-Nickel-Glycerat einer kombinierten hydrothermischen Sulfidierung und einer Gasphasen-Phosphorisierung unterzogen. Dabei entstehen sogenannte Dotter/Schale-Nanopartikel aus phosphordotiertem Kobalt-Nickel-Sulfid (P-CoNi2S4). Es handelt sich dabei um winzige Kügelchen mit einem kompakten Kern und einer porösen Hülle, zwischen denen sich ein Leerraum befindet – ähnlich einem Ei, dessen Dotter von Eiweiß umhüllt ist und daher die Schale nicht berührt.

Phosphordotierung sorgt für schnelleren Ladungstransfer

Die Phosphordotierung erhöht den Anteil an Ni3+ gegenüber Ni2+ in den hohlen Partikeln und sorgt für einen schnelleren Ladungstransfer, die elektrokatalytischen Reaktionen laufen rascher ab. Das Material kann sowohl als Anode als auch als Kathode eingesetzt werden und zeigt eine hohe Aktivität und Beständigkeit bei der Wasserstoff- und Sauerstofferzeugung der Wasserelektrolyse.

Suche nach hybriden Elektrolyse-Konzepten

Um die Gesamtspannung der Elektrolysezelle zu senken, wird außerdem nach hybriden Elektrolysekonzepten gesucht. So könnte die wasserstofferzeugende Reaktion statt an die Sauerstofferzeugung an die Oxidation von Harnstoff gekoppelt werden, die deutlich weniger Energie benötigt. Als Harnstoffquelle könnten Abwässer industrieller Synthesen und Sanitärabwässer dienen. Auch für diese Teilreaktion sind die neuartigen Nanopartikel sehr gut geeignet.

Es ist nur eine vergleichsweise geringe Zellspannung nötig

Sowohl für die Elektrolyse von Wasser als auch von Harnstoff benötigen sie nur eine vergleichsweise geringe Zellspannung (1,544 V bzw. 1,402 V bei 10 mA/cm2 über 100 Stunden). Damit sind die neuen bimetallischen Dotter/Schale-Partikel den meisten bekannten Nickel-Sulfid- und sogar edelmetallbasierenden Elektrokatalysatoren überlegen und sind ein interessanter Ansatz für die elektrochemische Wasserstoffproduktion, aber auch für die Behandlung harnstoffhaltiger Abwässer.

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