Iridium is een ideale katalysator voor de elektrolytische productie van waterstof uit water, maar het is extreem duur. Maar nu doet een nieuw soort elektrode gemaakt van zeer poreus materiaal uitstekend werk met slechts een vleugje iridium.

Vandaag, de koninklijke weg naar de effectieve elektrolyse van water voor de productie van waterstofgas in zogenaamde protonenuitwisselingsmembraan (PEM) elektrolyzers is om de hoeveelheid katalytisch zeer actieve maar angstaanjagende iridium van het nobelmetaal te verminderen en tegelijkertijd de waterstofproductie te behouden. In dit type elektrolysecel migreren de waterstofionen via een protonenuitwisselingsmembraan van de zuurstofproducerende anode naar de waterstofproducerende kathode. De op membraan gebaseerde techniek biedt veel voordelen. Het met katalysator beklede membraan zelf is erg dun, wat de elektrolysecel zelf klein en veelzijdiger maakt, en de afwezigheid van een vloeibaar elektrolyt betekent dat het hele systeem vrijwel geen onderhoud nodig heeft. Dergelijke cellen maken ook waterstofproductie bij verhoogde druk mogelijk, waardoor de energiebehoefte voor verdere opslag als gecomprimeerd gas wordt vergemakkelijkt en verlaagd. Tenslotte is dynamische belastingswerking mogelijk met de PEM-technologie om binnen enkele seconden op fluctuaties in beschikbare stroom te reageren, waardoor het geschikt is voor koppeling aan hernieuwbare energiebronnen.

Maar de technologie heeft ook een groot nadeel. De vorming van zuurstof aan de anode is afhankelijk van het gebruik van iridiumoxide (IrO2) als katalysator. IrO2 is een zeer stabiele en efficiënte promotor van deze reactie. Het probleem is dat iridium zelf zeldzamer is dan goud of zelfs platina, en het is minstens zo duur als het laatste. Er zijn veel pogingen gedaan om een ​​alternatief te vinden, maar niets dat nog is getest, benadert de stabiliteit op lange termijn en de katalytische activiteit van iridiumoxide.

Een scheutje iridium is genoeg

Nu op LMU gebaseerde chemici die betrokken zijn bij de Cluster of Excellence e-conversion, in samenwerking met een team van Forschungszentrum Jülich, zijn erin geslaagd de opbrengst aan waterstof met een factor acht te verhogen (ten opzichte van een commerciële referentie-elektrode) door een nieuw en zeer poreus materiaal als katalysator te gebruiken. Dit succes impliceert dat het mogelijk moet zijn om een ​​elektrolytische cel te ontwikkelen die dezelfde efficiëntie haalt als de huidige op iridium gebaseerde systemen, maar slechts 10% meer iridium nodig heeft.

De nieuwe elektrode is ontwikkeld in het kader van het Kopernikus Power-2-X Research Network, die wordt gefinancierd door het federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek. Het ontwerp en de prestatiekenmerken worden beschreven in een artikel dat in het tijdschrift is gepubliceerd Geavanceerde functionele materialen . Het systeem maakt gebruik van een nieuwe oxidische drager met een hoge porositeit waarop iridium gelijkmatig kan worden gedispergeerd als een dunne film, die gemakkelijk toegankelijk is voor watermoleculen en een hoge katalytische activiteit vertoont.

De katalysator in elke porie laden

Het team synthetiseerde eerst nanogestructureerde en geleidende antimoon-gedoteerde tinoxide-microdeeltjes. Deze deeltjes verschaffen een zeer poreuze basis voor het binden van de iridiumkatalysator. Vervolgens bereidden ze een waterige colloïdale suspensie van iridiumoxide-nanodeeltjes, die door middel van een solvothermische reactie bij hoge temperatuur en druk in de poreuze microdeeltjes werden geladen. Dit resulteerde in de reductie van de iridiumoxidedeeltjes tot metallisch Ir. Een laatste thermische oxidatiestap leidde vervolgens tot de vorming van iridiumoxide-nanodeeltjes in de poriën van de metalen steiger. Daaropvolgende scanning-elektronenmicroscopie bevestigde dat elke laatste holte in de steiger was bedekt met een dunne film van de katalysator. - En inderdaad, elektroden gecoat met het nieuwe materiaal hebben de laatste test glansrijk doorstaan. Op het gebied van activiteit, d.w.z. waterstofopwekking, de efficiëntie per gram gebonden iridium overtrof die van een in de handel verkrijgbaar PEM met maar liefst acht keer.

Zoals de eerste auteur van het artikel, Daniel Böhm, aangeeft:de syntheseprocedure heeft één groot voordeel. "We kunnen ons nu richten op het optimaliseren van elke parameter afzonderlijk. De relevante factoren die kunnen worden aangepast, zijn onder meer de samenstelling, structuur en poriegrootte van het materiaal, de geleidbaarheid en het niveau van belading met iridium. Uiteindelijk zullen we een zeer actieve, volledig geoptimaliseerd systeem. Alle stappen in de synthetische route zijn ook compatibel met de eisen van productie op industriële schaal, dus de aanpak kan binnen relatief korte tijd rijp zijn voor technische toepassing."

Het materiaal dat momenteel in commerciële elektrolysers wordt gebruikt, moet aan zeer hoge normen voldoen om een ​​stabiele werking gedurende vele jaren te garanderen. Aankomende projecten die dit probleem aanpakken zijn al gepland, zegt prof. Dina Fattakhova-Rohlfing van Forschungszentrum Jülich. "Eerst, we willen nog stabielere katalysatoren synthetiseren met behulp van nieuwe nanoarchitecturen. En dan willen we onderzoeken hoe de eigenschappen van deze materialen zich gedragen als ze gedurende langere tijd aan bedrijfsomstandigheden worden blootgesteld."