Grüner Wasserstoff ohne Platin und Ruthenium: Wissenschaftler entwickeln günstige Katalysatoren aus Nickel, Eisen und MXene

Die Produktion von „grünem“ Wasserstoff — einem Kraftstoff, der durch Wasserelektrolyse mit Sonnen- und Windenergie gewonnen wird — stößt seit langem an eine wirtschaftliche Mauer: Katalysatoren. Wasserspaltungsreaktionen erfordern teure Edel- und Seltenmetalle wie Platin, Ruthenium und Iridium, und genau deren Kosten machen sauberen Wasserstoff im Vergleich zu fossilen Brennstoffen unkonkurrenzfähig. In einer neuen Arbeit, die in der Fachzeitschrift ACS Applied Nano Materials veröffentlicht wurde, zeigten Forscher, dass dieses Problem umgangen werden kann, indem aktive Zentren auf Eisen und Nickel verankert werden, die auf Kohlenstoff-Nanofasern geträgert sind, welche auf einem zweidimensionalen leitfähigen MXene-Material gewachsen sind.

Das Problem, warum Wasserstoff teuer bleibt

In einem Elektrolyseur laufen gleichzeitig zwei Reaktionen ab: die Wasserstoffentwicklung an der einen Elektrode und die Sauerstoffentwicklung an der anderen. Beide sind für den Prozess kritisch, und beide werden traditionell durch Katalysatoren auf Basis von Rutheniumoxid (RuO2) und verwandten Verbindungen beschleunigt. Ruthenium, Iridium und Platin sind Seltenmetalle mit volatilen Preisen, und ihr Anteil an den Installationskosten kann mit dem Preis der Elektronik selbst vergleichbar sein. Wenn man sie durch industriell zugängliches Eisen und Nickel ersetzt, ändert sich die Wirtschaftlichkeit von grünem Wasserstoff grundlegend — vorausgesetzt, die neuen Materialien behalten eine akzeptable elektrochemische Aktivität bei.

Architektur des neuen Materials: MXene, Nanofasern und Metalloxide

Die Basis der vorgeschlagenen Katalysatoren ist ein zweidimensionales MXene-Material der Zusammensetzung Ti3C2Tx, das für seine hohe elektrische Leitfähigkeit bekannt ist. Mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) ließen die Wissenschaftler auf seiner Oberfläche Kohlenstoff-Nanofasern wachsen, an deren Enden sich Nickel- oder Eisenoxidpartikel bildeten. Mikroskopie und Spektroskopie bestätigten, dass die Fasern tatsächlich entstanden sind und die Schichtstruktur des MXenes erhalten blieb. Der Nickel-Verbundwerkstoff erwies sich als strukturell geordneter: Seine Kohlenstoffphase ähnelte Graphit und wies weniger Defekte auf als das Eisen-Pendant, was laut den Autoren einen Teil der Unterschiede im elektrochemischen Verhalten erklärt.

Testdaten: Wie nah an Ruthenium

Bei der alkalischen Wasserelektrolyse dient Rutheniumoxid als Referenzmaßstab, das für die Sauerstoffentwicklungsreaktion eine Überspannung von etwa 250 mV benötigt. Der MXene-gestützte Nickel-Verbundwerkstoff benötigte für dieselbe Reaktion nur 50 mV mehr, der Eisen-Verbundwerkstoff 360 mV mehr. Bei der Wasserstoffentwicklungsreaktion waren die Abstände größer: Nickel benötigte +490 mV über dem Referenzwert, um eine Stromdichte von 10 mA/cm² zu erreichen, Eisen benötigte +520 mV. Somit kam das Nickelmaterial der Sauerstoffreaktion am nächsten, während der Preisunterschied der Ausgangsmetalle zwischen Nickel und Ruthenium unvergleichlich größer ist als diese wenigen Millivolt. Die Autoren betonen, dass die Verankerung der Nanofasern auf MXene die Leistung beider Verbunde im Vergleich zu ähnlichen Materialien ohne ein solches Substrat verbesserte.

Montierte Elektrolyseure und 24-Stunden-Stabilität

Die Forscher gingen über Laborelektroden hinaus und bauten Elektrolyseur-Prototypen, bei denen an beiden Elektroden derselbe Katalysatortyp verwendet wurde. Bei einer Stromdichte von 10 mA/cm² zeigte die Eisen-Zelle eine Spannung von 2,2 V, die Nickel-Zelle 2,7 V. Hier kehrt sich das Bild um: Auf Ebene der einzelnen Verbundwerkstoffe wirkte Nickel stärker, aber in der vollständig montierten Konstruktion lieferte Eisen das bessere Ergebnis. Die Autoren vermuten, dass Eisen das Milieu während der Reaktionen stabilisiert. 24-Stunden-Tests ergaben einen leichten Aktivitätsabfall und eine Drift der Eigenschaften bei beiden Materialien, wobei der Nickelkatalysator weniger degradierte. Die Autoren weisen ausdrücklich darauf hin, dass die Arbeit noch nicht abgeschlossen ist, die Ergebnisse jedoch ermutigend sind.

Warum das für die Energiewende wichtig ist

Grüner Wasserstoff ist einer der wenigen Wege, Kraftstoff ohne Kohlendioxidemissionen zu erhalten, wenn die Elektrolyseenergie aus Sonne und Wind stammt. Solange Katalysatoren teuer bleiben, verliert sauberer Wasserstoff selbst unter Berücksichtigung einer CO2-Abgabe beim Preis, und die Skalierung der Branche wird gebremst. Der Übergang zu Eisen und Nickel mit einem MXene-Substrat verringert diese Kostenlücke und ebnet den Weg für günstigere Elektrolyseure. Fragen der Langzeitstabilität und der Skalierung des CVD-Prozesses auf industrielle Flächen bleiben offen, aber das Grundprinzip — ein seltenes Metall durch ein zugängliches zu ersetzen und dabei die Aktivität durch Nanostruktur zu erhalten — wurde bereits experimentell bestätigt.