Saubere Wasserstoffproduktion mit biologisch inspirierten Katalysatoren
Wenn Wasserstoff (H2) wirklich revolutionäre saubere Energielösungen bieten soll, so muss seine Produktion Treibhausgasemissionen, wie Kohlendioxid (CO2), möglichst vermeiden. Dies ist derzeit nur möglich, wenn H2 durch Elektrolyse aus Wasser hergestellt wird, wobei erneuerbarer Strom verwendet wird, oder durch Photo(elektro)katalyse, bei der Sonnenlicht genutzt wird. Eine saubere H2-Produktionstechnik, die die erstgenannte Möglichkeit nutzt, verwendet Protonenaustauschmembran-Elektrolyseure – also Geräte, die Strom nutzen, um Wassermoleküle (H2O) in einem elektrochemischen Prozess in H2 und Sauerstoff (O2) zu spalten. Die Protonenaustauschmembranen werden aus dem synthetischen Polymer Nafion hergestellt. Die Elektroden enthalten in der Regel Katalysatoren auf der Basis von Edelmetallen, etwa Iridiumoxid, um die O2-Entwicklung voranzutreiben, sowie Platin, um H2 zu erzeugen. Diese Verfahren gibt es zwar schon seit einiger Zeit, aber genannte Komponenten sind ausgesprochen teuer und aufgrund des geringen Vorkommens von Edelmetallen in der Erdkruste sind solche Technologien nicht nachhaltig. Als Alternative entwickelte das vom Europäischen Forschungsrat unterstützte Team von PRODUCE-H2 (PROtotype Demonstration Using low-cost Catalysts for Electrolysis to H2) innovative H2 produzierende Katalysatoren, die auf häufig vorkommenden Elementen der Erde basieren.
Nachahmung von Photosynthese
PRODUCE-H2 baute auf den Ergebnissen des früheren Projekts photocatH2ode auf, das Materialien zur direkten Konvertierung von Sonnenlicht in H2-Kraftstoff entwickelt hatte, wobei es durch die Art und Weise angeregt war, wie Mikroalgen mithilfe von Sonnenlicht H2 zur Energiegewinnung erzeugen. Das vorausgegangene Projekt des Europäischen Forschungsrats photocatH2ode entwickelte Photoelektroden, die lichtsammelnde Materialien – darunter organische Farbstoffe, leitende Polymere und Halbleiter – mit H2 erzeugenden Katalysatoren kombinierten, welche Hydrogenase-Enzymen entlehnt waren. „Wir haben Photokathoden in komplette photoelektrochemische Zellen integriert, die in der Lage sind, mithilfe von Sonnenlicht Wasser aufzuspalten und H2 zu produzieren“, sagt Hauptforscher Vincent Artero vom französischen Kommissariat für Atomenergie und alternative Energien (CEA). Im Rahmen von photocatH2ode entdeckte das Team, dass die Molekularstruktur von amorphem Molybdänsulfid – ein Elektrokatalysator für die H2-Produktion – leicht beeinflusst werden kann, um Leistung und Stabilität zu verbessern. Außerdem bot Molybdän den Vorteil, dass es im Überfluss vorhanden war. Beim Projekt PRODUCE-H2 wurden verschiedene Verbundwerkstoffe, die von amorphen Molybdänsulfid-Katalysatoren abgeleitet wurden, mit einer zum Patent angemeldeten Technologie zu einer katalytischen Farbe weiterverarbeitet. Diese Elektrokatalysatoren wurden dann in Protonenaustauschmembran-Elektrolyseuren getestet. „Dies war das erste Mal, dass Nichtedelmetalle-Katalysatoren auf diese Weise getestet wurden. Einige der Materialien zeigten eine sehr gute Stabilität und eine akzeptable Aktivität im Vergleich zu Platin“, erklärt Artero. Nach dem Testen verschiedener Methoden zur Katalysatorherstellung fand das Team heraus, dass eine Synthesemethode mit kostengünstigen Vorstufen unter Verwendung eines Mikrowellenofens schnell die aktivsten und stabilsten Materialien lieferte. „Diese Methode ist leicht skalierbar, und eine Lebenszyklusanalyse in Zusammenarbeit mit Toyota Motor Europe (das H2-betriebene Autos herstellt) zeigte die Umweltauswirkungen und den Kostenvorteil solcher Katalysatoren im Vergleich zu Edelmetall-Katalysatoren“, sagt Artero.
Auf dem Weg zur Wasserstoffwirtschaft
Das Team von PRODUCE-H2 arbeitet nun daran, die Entwicklung eines Prototyps für einen Protonenaustauschmembran-Elektrolyseur abzuschließen, der auf biobasierten Kunststoffen aufbaut und durch additive Fertigung hergestellt wird. Um die Arbeit weiter voranzutreiben, beabsichtigt das Team, ihren H2 produzierenden Katalysator mit anderen Nichtedelmetall-Katalysatoren zu kombinieren. Insbesondere wollen die Forschenden einen Weg finden, das O2 produzierende Iridiumoxid durch einen nachhaltigeren Katalysator zu ersetzen – eine etwas komplexere Herausforderung. „Wir wollen diese Katalysatoren auch in unseren Prototyp des Protonenaustauschmembran-Elektrolyseurs aus Biokunststoff integrieren und diesen mit einer Solarzelle koppeln, um H2 aus Sonnenlicht und Wasser zu erzeugen. Diese alternative Methode zur H2-Erzeugung könnte sich kurzfristig als wettbewerbsfähiger erweisen als die Photoelektrokatalyse“, ergänzt Artero. Die Ergebnisse von PRODUCE-H2 könnten dazu beitragen, die Energie-, Transport- und Industriesysteme zu dekarbonisieren und so bei der Entwicklung einer Wasserstoffwirtschaft förderlich sein, die der EU mehr Unabhängigkeit und Sicherheit bei der Energieversorgung bietet, indem sie deren Abhängigkeit von importierten fossilen Brennstoffen reduziert.
Schlüsselbegriffe
PRODUCE-H2, Wasserstoff, H2, Emissionen, Energie, Katalysator, Elektrolyseur, Membran, Sonnenlicht, Molybdän, Metall
