Neuer Katalysator soll Wasserstoff günstiger als Benzin machen

Vor den Küsten, auch den deutschen, liegt ein scheinbar unendlicher Vorrat sauberer Energie im Verborgenen: Diwasserstoffmonoxid – besser bekannt als H₂O oder einfach Wasser. Nun brennt Wasser bekanntermaßen eher schlecht, Wasserstoff hingegen umso besser. Als „grüner“ Wasserstoff soll er die Energie-, Wärme- und Mobilitätswende ermöglichen.

Damit dies gelingen kann, muss dieser jedoch erst aus dem Wasser abgespalten werden, was aufgrund der bisher eingesetzten Materialien wie Platin oder Iridium ein kostenintensives Unterfangen ist. Forschern um Di-Jia Liu, leitender Chemiker der Argonne National Laboratory, ist es gelungen, diese Stoffe durch günstigere zu ersetzen. Bewährt sich ihre Erfindung in der Praxis, ebnet sie den Weg für weitgehend kohlenstofffreie Energieversorgung, Treib- und Rohstoffe.

Hauptkostenfaktor beseitigen

Wasserstoff kann Fahrzeuge antreiben, wobei wiederum Wasser entsteht. Wasserstoff ist aber auch eine wichtige Chemikalie für viele industrielle Prozesse und gleichzeitig ein Rohstoff der chemischen Industrie.

Hergestellt wird er mittels Elektrolyse, einem mehr als 100 Jahre alten Verfahren, welches Wasser in seine chemischen Bestandteile spaltet – ein Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatome, erklärt Liu. Heute werden dafür sogenannte Protonenaustauschmembran-(PEM)-Elektrolyseure verwendet. Andere Verfahren sind die Hochtemperatur-(HTE)-Elektrolyse beziehungsweise die Alkalische Elektrolyse (AEL), wobei jedes Verfahren seine Vorteile hat.

Sowohl PEM als auch AEL arbeiten bei nahezu Raumtemperatur, allerdings ist die PEM-Technik toleranter gegenüber Leistungsschwankungen. Sie eignet sich daher besser für den Einsatz mit unsteten Energiequellen wie Sonne und Wind. Andererseits benötigt sie separate Katalysatoren aus Platin und Iridium. Bei Preisen von mehreren 1.000 Euro pro Unze ist damit erzeugter Wasserstoff heute noch nicht wirtschaftlich.

Gemeinsam mit Kollegen weiterer US-amerikanischer Laboratorien beschäftigte sich Liu mit diesen Katalysatoren. Statt Iridium griffen die Forscher auf Kobalt zurück. „Wir haben versucht, einen kostengünstigen Anodenkatalysator für einen PEM-Elektrolyseur zu entwickeln, der Wasserstoff bei hohem Durchsatz und minimalem Energieverbrauch erzeugt“, so Liu. „Durch die Verwendung des mit unserer Methode hergestellten Katalysators auf Kobaltbasis könnte man den Hauptengpass der Kosten für die Herstellung von sauberem Wasserstoff in einem Elektrolyseur beseitigen.“

Ein Drittel des Benzinpreises

Wichtig für die Verbesserung der Katalysatorleistung war das Verständnis auf atomarer Ebene, beschreiben die Forscher ihre Hauptarbeit. Mithilfe von Röntgenanalysen entschlüsselten sie schließlich kritische strukturelle Veränderungen, die im Katalysator unter Betriebsbedingungen auftreten. Weitere wichtige Merkmale erkannten sie mittels Elektronenmikroskopie.

„Wir haben die atomare Struktur auf der Oberfläche des neuen Katalysators in verschiedenen Stadien der Vorbereitung abgebildet“, sagte Jianguo Wen, ein Materialwissenschaftler aus Argonne. „Unsere Ergebnisse zeigen einen vielversprechenden Weg auf, um Katalysatoren aus teuren Edelmetallen durch Elemente zu ersetzen, die viel günstiger und reichlicher vorhanden sind“, ergänzte Liu. Erste Tests unter industriellen Betriebsbedingungen bestätigten anschließend überragende Leistung und Haltbarkeit im Vergleich zu anderen Katalysatoren.

Die Forschung erfolgte im Rahmen der „Wasserstoff-Earthshot-Initiative“ des US-amerikanischen Energieministeriums (DOE). Sie hat zum Ziel, die Produktionskosten von grünem Wasserstoff innerhalb eines Jahrzehnts auf einen Dollar pro Kilogramm zu senken. Bezogen auf den Energiegehalt entspricht das etwa einem Drittel des Benzinpreises.

Die Studie erschien Mitte Mai im Fachjournal „Science“.

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