Anodes voor de elektrolytische splitsing van water zijn meestal materialen op iridiumbasis. Om de stabiliteit van de iridiumkatalysator te vergroten, hebben een team van HZB en een groep van HI-ERN nu een zogenaamde materiaalbibliotheek geproduceerd:een monster waarin de concentratie van iridium- en titaniumoxiden systematisch wordt gevarieerd.

Analyses van de afzonderlijke monstersegmenten bij BESSY II in het EMIL-laboratorium hebben aangetoond dat de aanwezigheid van titaniumoxiden de stabiliteit van de iridiumkatalysator aanzienlijk kan verhogen.

Een mogelijkheid om energie uit zon of wind op te slaan is de productie van ‘groene’ waterstof door elektrolyse. Waterstof slaat energie op in chemische vorm en geeft deze weer vrij bij verbranding, waarbij geen uitlaatgassen ontstaan, maar alleen water. Tegenwoordig is iridium de modernste katalysator voor deze reactie. Iridium lost echter steeds meer op in de zure omgeving van de elektrolysecel waardoor de katalytische werking snel afneemt.

"We wilden onderzoeken of de stabiliteit van de katalysator kan worden verbeterd door verschillende hoeveelheden titaniumoxide toe te voegen", zegt prof. dr. Marcus Bär (HZB). Hoewel titaniumoxide niet katalytisch actief is, is het zeer stabiel. "We hadden enkele aanwijzingen dat de aanwezigheid van titaniumoxide een positief effect zou hebben op de stabiliteit zonder de katalytische werking van het iridium te beïnvloeden. Maar we wilden ook weten of er een ideale mengverhouding bestaat."

Het voorbeeld als materiaalbibliotheek

Het monster werd geproduceerd in het Helmholtz Instituut Erlangen-Neurenberg voor Hernieuwbare Energie (HI-ERN) door het team van prof. Dr. Olga Kasian door titanium en iridium te sputteren met lokaal variërende samenstellingen. Het is een zogenaamde dunnefilmmaterialenbibliotheek waarop het iridiumgehalte varieert van 20% tot 70%

Bij BESSY II; Het team gebruikte röntgenspectroscopische methoden om te analyseren hoe de chemische structuur verandert afhankelijk van het iridiumgehalte van de gemengde iridium-titaanoxidemonsters. Hierbij speelden meerdere effecten een rol:bijvoorbeeld de aanwezigheid van titaniumsuboxiden (zoals TiO en TiO_x ) verbeterde de geleidbaarheid van het materiaal.

Een ander opwindend resultaat was dat sommige titaniumoxiden sneller in de waterige elektrolyt oplossen dan iridium, waardoor microporiën op het oppervlak ontstaan. Dit bevorderde de zuurstofontwikkelingsreactie omdat meer iridiumatomen uit de lagere lagen in contact kwamen met de elektrolyt.

Het belangrijkste effect is echter dat titaniumoxiden (TiO₂ , evenals TiO en TiO_x ) verminderen het oplossen van iridium aanzienlijk. “In het monster waaraan 30% titanium was toegevoegd vergeleken met een puur iridium-elektrodemateriaal, zagen we een iridiumresolutie die ongeveer 70% lager was”, zegt Marianne van der Merwe, die de metingen uitvoerde in het kader van haar doctoraat bij Marcus Bär.

Hoge relevantie voor praktisch gebruik

Maar hoe relevant zijn dergelijke resultaten uit laboratoriumonderzoek voor de industrie? "Als er al bestaande technologieën bestaan, is het in het begin altijd moeilijk om iets te veranderen", zegt Marcus Bär. "Maar hier laten we zien hoe de stabiliteit van de anodes met een beheersbare hoeveelheid inspanning aanzienlijk kan worden verhoogd."

De studie is gepubliceerd in het tijdschrift ACS Catalysis .

Meer informatie: Marianne van der Merwe et al., De chemische en elektronische eigenschappen van stabiliteitsverbeterde, gemengde Ir-TiOx Oxygen Evolution Reaction Catalysts, ACS Catalysis (2023). DOI:10.1021/acscatal.3c02948

Journaalinformatie: ACS-katalyse

Aangeboden door Helmholtz Vereniging van Duitse Onderzoekscentra