Im Rahmen eines neuen Förderprogramms haben die U.S. National Science Foundation (NSF) und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) der University of Illinois Urbana-Champaign und der Technischen Universität Darmstadt einen dreijährigen Forschungszuschuss in Höhe von 720.000 Dollar (500.000 Dollar von der NSF) gewährt, um Möglichkeiten zur effizienteren Herstellung von grünem Wasserstoff, einer sauberen und erneuerbaren Energiequelle, zu erforschen.

Dieses Projekt ist eines der ersten, das von der NSF-DFG Lead Agency Activity in Electrosynthesis and Electrocatalysis (NSF-DFG EChem) unterstützt wird. Dabei handelt es sich um ein internationales Projekt, das die Zusammenarbeit zwischen US-Forschenden und ihren deutschen Kollegen bei ingenieurwissenschaftlichen Projekten zur Erforschung und Entwicklung neuartiger und grundlegender elektrochemischer Reaktionen fördert. Das neue Projekt versammelt ein multidisziplinäres Team unter den Professoren Hong Yang und Nicola Perry von der UIUC und Professor Andreas Klein von der TU Darmstadt.

"Unsere Gesellschaft macht große Fortschritte auf dem Weg in eine Zukunft, die von erneuerbaren Energien angetrieben wird", so der Leiter des Projekts, Hong Yang, Richard C. Alkire Chair Professor of Chemical & Biomolecular Engineering an der UIUC. "Mit grünem Wasserstoff können Autos und Lastkraftwagen betrieben werden oder er kann als Grundstoff für die industrielle Fertigung verwendet werden – aber es gibt noch viel zu tun, um sicherzustellen, dass die Produktion von grünem Wasserstoff rentabel und skalierbar ist."

Grüner Wasserstoff wird durch die Spaltung von Wassermolekülen mittels eines sogenannten Elektrolyseurs hergestellt, der elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen nutzt – aber dieser Prozess erfordert derzeit viel Energie und ist noch nicht kosteneffektiv.

Das neu geförderte Forschungsprojekt zielt darauf ab, durch ingenieurwissenschaftliches Verständnis neuer Klassen von Elektrokatalysatoren wie Pyrochloren die Effizienz und Stabilität der Elektrolyse zur Wasserspaltung zu erhöhen.

Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen. Das Forschungsteam wird modernste Techniken einsetzen, um die komplexen Oberflächen- und Volumenstrukturen aufzudecken, die die Katalysatorleistung und die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen. Ziel ist es, die spezifische Chemie – bis hinunter auf die atomare Ebene – zu identifizieren, die die reaktivsten und stabilsten Elektrokatalysatoren für die Wasserspaltung erzeugt.

Letztlich werden bessere Katalysatoren benötigt, um den Stromverbrauch zu reduzieren und die Stabilitätsanforderungen zu erfüllen, um grünen Wasserstoff zu geringeren Kosten zu produzieren.

"Unser Team führt verschiedene Methoden und fachspezifische Ansätze zusammen, die in der Kombination das Potenzial haben, einzigartige Erkenntnisse für die Entwicklung praktikabler grüner Wasserstoffkatalysatoren zu liefern", so die Ko-Projektleiterin Nicola Perry, Professorin für Materials Science and Engineering an der UIUC. "Dieses interdisziplinäre und internationale kollaborative Umfeld wird auch einen reichhaltigen, prägenden Rahmen für die Ausbildung von Studenten in der Forschung bieten."

Perry wird die Entwicklung von Dünnschicht-Katalysatoren als Modellplattform leiten, die grundlegende Erkenntnisse ermöglicht. Sie wird weiterhin die Analyse der Defektchemie betreuen. Die Defektchemie befasst sich mit der Untersuchung von aktiven Anomalien auf atomarer Ebene unter dynamischen Betriebsbedingungen und deren Auswirkungen auf die Katalysatorleistung. Perry und Yang sind auch Mitglieder des Materials Research Lab, wo ein Teil dieser Arbeiten stattfinden wird.

Andreas Klein, Professor für Material- und Geowissenschaften an der TU Darmstadt, wird einen neuen Rahmen entwickeln, um die Oberflächenstrukturen mit Hilfe der Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) unter realistischen Bedingungen zu untersuchen.

"Es wird erwartet, dass Wasserstoff eine wichtige Rolle für kohlenstoffneutrale Technologie spielen wird", sagt Yang. "Ich freue mich darauf, dabei zu helfen, nachhaltige Technologien zur Herstellung von grünem Wasserstoff zu entwickeln, um Autos zu betreiben und eines Tages auch unsere Gesellschaft insgesamt zu versorgen."