Neuartiges Verfahren setzt Standard bei platinfreien Elektrokatalysatoren zur Synthese von molekularem Wasserstoff
Elektrokatalytische Erzeugung von Wasserstoff durch Wasserspaltung stellt das effektivste Verfahren für die zukünftige Wasserstoffökonomie dar
Abbildung. a) Syntheseschema von MoNi4-Elektrokatalysatoren geträgert auf MoO2-Kuboiden auf einem Nickelschaum; b) Polarisierungskurven des MoNi4-Elektrokatolysators auf MoO3-Kuboiden, der reinen Nickelnanoschichten und von MoO2-Kuboiden auf Nickelschaum; c) Berechnete Adsorptions-Freie-Energie-Diagramm für den Tafel-Schritt.
Eine aktuelle Forschungsarbeit des Lehrstuhls für Molekulare Funktionsmaterialien (Prof. Xinliang Feng), Center for Advancing Electronics Dresden an der TU Dresden, die in Zusammenarbeit mit Forschern an Universitäten und Instituten in Deutschland, Frankreich und Japan entstand, wurde am 17. Mai 2017 in Nature Communications veröffentlicht. Das Papier mit dem Titel “Efficient hydrogen production on MoNi4 electrocatalysts with fast water dissociation kinetics” beschreibt einen neuen Ansatz zur Produktion von molekularem Wasserstoff, welches diesen Prozess revolutionieren könnte. Das Gas gilt als einer der vielversprechendsten Energieträger der Zukunft.
Ein wachsendes Bewusstsein hinsichtlich der Probleme traditioneller Energieträger verlangt nach der gezielten Entwicklung von erneuerbaren Energiequellen, als Alternative für die begrenzten fossilen Brennstoffe. Wegen seiner hohen Energiedichte und umweltfreundlichen Eigenschaften ist molekularer Wasserstoff ein attraktiver und vielversprechender Energiespeicher für die künftige globale Energienachfrage. Unter den verschiedenen Methoden zur Herstellung von Wasserstoff stellt die elektrokatalytische Erzeugung durch Wasserspaltung (Wasserstoffentwicklungsreaktion, engl.: HER) das effektivste Verfahren für die zukünftige Wasserstoffökonomie dar.
Um die Geschwindigkeit der üblicherweise langsam ablaufenden HER – besonders in basischen Elektrolyten – anzuheben, werden hoch aktive und robuste Elektrokatalysatoren benötigt, um die kinetische HER-Überspannung zu senken. Als Messlatte der HER-Elektrokatalysatoren mit einer Überspannung von Null gilt das Edelmetall Platin, welches die dominante Rolle in der H2-Produktionstechnologie spielt, wie zum Beispiel in der Wasser-Alkali-Elektrolyse. Knappheit und hohe Beschaffungskosten hindern jedoch die großtechnische Anwendung in der elektrokatalytischen HER.
Professor Xinliang Feng (Lehrstuhl für Molekulare Funktionsmaterialien) und sein Team vom Center for Advancing Electronics Dresden an der TU Dresden haben in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) Dresden und internationalen Partnern von der Universität Lyon (ENS de Lyon), Centre national de la recherche scientifique (CNRS, beide Frankreich) und der Tohoku University (Japan) nun einen günstigen Elektrokatalysator hergestellt, welcher auf Molybdän-Nickel (MoNi4) basiert, das wiederum auf Molybdän-Oxid-Kuboiden (MoO2) verankert ist. Diese Kleinststrukturen werden vertikal auf einem Nickelschaum ausgerichtet (MoNi4/MoO2@Ni).
Die MoNi4-Nanopartikel werden in situ auf den MoO2-Kuboiden gezüchtet, indem Nickelatome nach außen diffundieren. Das entstehende Material MoNi4/MoO2@Ni hat eine sehr hohe HER-Aktivität, die vergleichbar mit denen der Platinkatalysatoren ist, und setzt damit eine neue Kennmarke unter den platinfreien Elektrokatalysatoren. Experimentell konnten die MoNi4-Kerne als katalytisch hochaktive Zentren ausgemacht werden. Darüber hinaus wurde mit theoretischen Berechnungen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie (DFT) aufgezeigt, dass die Energiebarriere der Volmer-Stufe für die MoNi4-Elektrokatalysatoren stark gesenkt ist. Die Möglichkeit, diesen Elektrokatalysator in einem großen Maßstab herzustellen, sowie die exzellente katalytische Stabilität zeigen MoNi4/MoO2@Ni als eine vielversprechende Alternative in der Wasser-Alkali-Elektrolyse für die Wasserstoffproduktion auf. Die weitere Erforschung von MoNi4-Elektrokatalysatoren weist daher den Weg zu einer hoffnungsvollen Methode für eine zukünftige Anwendung in der Energieerzeugung.
Referenz
Efficient hydrogen production on MoNi4 electrocatalysts with fast water dissociation kinetics, J. Zhang, T. Wang, P. Liu, Z. Liao, S. Liu, X. Zhuang, M. Chen, E. Zschech, X. Feng*, Nat Commun.
Diese Arbeit wurde finanziell unterstützt durch den Fond 2DMATER des Europäischen Forschungsrates (ERC) und die EU innerhalb des „Graphene Flagship“-Programms (No. CNECT-ICT-604391). DOI: 10.1038/NCOMMS15437
Kontakte
Prof. Xinliang Feng
Technische Universität Dresden
cfaed Lehrstuhl für Molekulare Funktionsmaterialien
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Mail: [email protected]
Matthias Hahndorf
cfaed Referent für Wissenschaftskommunikation
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