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Nanomaterial hilft Sonnenenergie zu speichern: Effizient und kostengünstig

Neues Katalysator-Material für Elektrolyseure bewährt sich im Praxistest

Paul Scherrer Institut/Emiliana Fabbri

Nanopartikel eines Perowskits, die als effizienter Katalysator in einem Elektrolyseur eingesetzt werden können. Das kleine Bild zeigt eine Vergrösserung der Struktur.

19.07.2017: Damit Sonnen- und Windenergie in Form von Wasserstoff gespeichert werden können, werden effiziente Elektrolyseure benötigt. Dank eines neuen Materials, das Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI und der Empa entwickelt haben, dürften diese Geräte in Zukunft günstiger und effizienter werden. Die Forschenden haben auch gezeigt, wie sich das neue Material zuverlässig in grossen Mengen herstellen lässt, und seine Leistungsfähigkeit in einer technischen Elektrolysezelle, der Hauptkomponente eines Elektrolyseurs, nachgewiesen.

Da Sonnen- und Windenergie nicht jederzeit verfügbar sind, können sie nur dann einen wesentlichen Beitrag zur Energieversorgung leisten, wenn sie effizient gespeichert werden können. Ein vielversprechender Weg ist die Speicherung in Form von Wasserstoff. Dazu wird in einem Elektrolyseur mithilfe von Strom, der aus Sonnen- oder Windenergie gewonnen wurde, gewöhnliches Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Der Wasserstoff dient dann als Energieträger – er kann in Tanks gespeichert und später zum Beispiel mithilfe von Brennstoffzellen wieder in elektrische Energie umgewandelt werden. Das kann unmittelbar an den Orten geschehen, an denen der Strom gebraucht wird: in Wohnhäusern oder in Brennstoffzellenfahrzeugen, die eine Mobilität ganz ohne CO2-Ausstoss ermöglichen würden.

Kostengünstig und effizient

Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI haben nun ein neues Material entwickelt, das in Elektrolyseuren als Katalysator die Aufspaltung der Wassermoleküle, den ersten Schritt der Erzeugung von Wasserstoff, beschleunigt. „Es gibt heute zwei Typen von Elektrolyseuren auf dem Markt: Die einen sind effizient, aber teuer, weil deren Katalysatoren unter anderem Edelmetalle wie Iridium enthalten. Die anderen sind günstiger, aber weniger effizient“, erklärt Emiliana Fabbri, Forscherin am Paul Scherrer Institut. „Wir wollten einen effizienten Katalysator entwickeln, der zudem günstig ist, weil er ohne Edelmetalle auskommt.“

Dabei haben die Forschenden auf ein eigentlich schon bekanntes Material zurückgegriffen: eine komplexe Verbindung der Elemente Barium, Strontium, Kobalt, Eisen und Sauerstoff – ein sogenannter Perowskit. Sie haben aber als Erste ein Verfahren entwickelt, mit dem er sich in Form von winzigen Nanopartikeln erzeugen lässt. Nur so kann er effizient wirken, denn ein Katalysator benötigt eine möglichst hohe Oberfläche, an der viele reaktive Zentren die elektrochemische Reaktion beschleunigen. Macht man die einzelnen Partikel des Katalysators möglichst klein, addieren sich deren Oberflächen zu einer umso grösseren Gesamtoberfläche.

Für die Herstellung des Nanopulvers nutzten die Forschenden ein sogenanntes Flame-Spray-Gerät, das von der EMPA betrieben wird. In diesem Gerät werden die Bestandteile des Materials gemeinsam durch eine Flamme geschickt, vermischen sich dabei und erstarren schnell zu kleinen Partikeln, sobald sie die Flamme verlassen. „Die Herausforderung war, das Gerät so zu betreiben, dass die Atome der einzelnen Elemente zuverlässig in der richtigen Struktur zusammenfinden“, betont Fabbri. „Zusätzlich konnten wir noch den Sauerstoffgehalt gezielt variieren und so verschiedene Varianten des Materials erzeugen.“

Im Praxistest erfolgreich

Die Forschenden haben gezeigt, dass ihre Entwicklungen nicht nur im Laborversuch funktionieren, sondern auch wirklich praxistauglich sind. So liefert das vorgestellte Herstellungsverfahren grosse Mengen des Katalysatorpulvers und dürfte sich leicht an einen industriellen Massstab anpassen lassen. „Es war uns auch wichtig, den Katalysator selbst einem echten Praxistest zu unterziehen. Wir haben hier am PSI natürlich Messanlagen, in denen wir das Material untersuchen können, aber am Ende kommt es darauf an, wie sich das Material in einer industriellen Elektrolysezelle, wie sie in kommerziellen Elektrolyseuren eingesetzt wird, verhält“, so Fabbri. Daher testeten die Forschenden den Katalysator in Kooperation mit einem amerikanischen Hersteller von Elektrolyseuren und konnten dabei zeigen, dass das Gerät mit dem neuen Perowskit der PSI-Forscher zuverlässiger arbeitete als mit einem konventionellen Iridium-Oxid-Katalysator.

In Tausendstelsekunden untersucht

Darüber hinaus konnten die Forschenden auch genau untersuchen und nachvollziehen, was in dem neuen Material passiert, wenn es aktiv ist. Dafür durchleuchteten sie es mit Röntgenlicht an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI. Hier steht für die Forschenden ein weltweit einzigartiger Messplatz zur Verfügung, an dem sich der Zustand eines Materials in Zeiträumen von 200 Tausendstelsekunden untersuchen lässt. „So können wir verfolgen, wie sich der Katalysator während der katalytischen Reaktion verändert: Wir sehen, wie sich die elektronischen Eigenschaften oder die Anordnung der Atome ändern“, so Fabbri. „An anderen Anlagen dauert eine einzelne Messung rund 15 Minuten, sodass man dort höchstens ein gemitteltes Bild bekommt.“ Ein Ergebnis dieser Messungen ist, dass sich die Struktur an der Oberfläche der Partikel im Betrieb verändert – das Material wird zum Teil amorph, die Atome sind also in einzelnen Bereichen nicht mehr regelmässig angeordnet. Das Unerwartete an dem Ergebnis ist, dass das Material dadurch zu einem besseren Katalysator wird.

Einsatz in der ESI-Plattform

An der Entwicklung von technologischen Lösungen für die Energiezukunft der Schweiz mitzuarbeiten ist einer der wesentlichen Forschungsschwerpunkte des PSI. So stellt das PSI mit der ESI-Plattform (ESI steht für Englisch „Energy System Integration“) der Forschung und Industrie eine Versuchsplattform zur Verfügung, auf der vielversprechende Lösungsansätze in ihren komplexen Zusammenhängen getestet werden können. Der neue Katalysator ist hierbei eine wichtige Basis für die Entwicklung von Wasser-Elektrolyseuren der nächsten Generation.

Originalveröffentlichung:
"Dynamic Surface Self-Reconstruction is the Key of Highly Active Perovskite Nano-Electrocatalysts for Water Splitting"; Emiliana Fabbri, Maarten Nachtegaal, Tobias Binniger, Xi Cheng, Bae-Jung Kim, Julien Durst, Francesco Bozza, Thomas J. Graule, Robin Schäublin, Luke H. Wiles, Morgan Petroso, Nemanja Danilovic, Katherine Ayers, Thomas J Schmidt; Nature Materials; 17 July 2017

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