Green hydrogen generation: A cross-disciplinary challenge rooted in electrochemistry

Grüner Wasserstoff, der durch Wasserelektrolyse unter Verwendung erneuerbarer Energiequellen hergestellt wird, wird als Strategie zur Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und zur Dekarbonisierung chemischer Prozesse erforscht. Unter Umweltgesichtspunkten ist dieser Ansatz äußerst attraktiv, da bei der Elektrolyse milde Bedingungen herrschen und bei der Verwendung des Wasserstoffs in einer Brennstoffzelle keine Treibhausgase entstehen.

Die Wirtschaftlichkeit von Elektrolyse- und Brennstoffzellensystemen zur Energieumwandlung hängt jedoch stark von den Kosten für Strom und Metalle wie Nickel, Platin, Iridium und Titan ab. Die Betriebskosten für Elektrolyseure müssen minimiert werden, damit grüner Wasserstoff eine wirtschaftlich sinnvolle Option wird. Der Stromverbrauch trägt erheblich zu den Kosten bei. Daher ist eine Senkung der Kosten für erneuerbare Energien ein notwendiger Schritt. Die Tatsache, dass Solarzellen in den letzten Jahrzehnten immer effizienter und erschwinglicher geworden sind, stimmt in dieser Hinsicht optimistisch [1], aber es kann noch viel mehr getan werden, um den Erfolg von grünem Wasserstoff zu steigern. Effizientere Elektrolyseure könnten die eingesetzte Elektrizität besser nutzen, und die Entwicklung billigerer sowie haltbarerer Komponenten kann sowohl die Kapital- als auch die Betriebskosten senken.

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Interdisziplinäres Interesse an grünem Wasserstoff

Elektrolyseure sind in erster Linie elektrochemische Geräte mit Elektrokatalysatoren, die für die Wasserspaltung verantwortlich sind (Abbildung 1). Die wissenschaftlichen Herausforderungen im Zusammenhang mit der Optimierung von Elektrolyseuren ziehen auch die Aufmerksamkeit von Forschern auf sich, die nicht traditionell in Elektrochemie ausgebildet sind. Die Suche nach effizienten HER- (Hydrogen Evolution Reaction) und OER- (Oxygen Evolution Reaction) Elektrokatalysatoren weckt das Interesse von anorganischen Chemikern und Physikern. Die Entwicklung besserer Membranen erfordert Fachwissen in organischer Chemie und Polymerchemie. Die Optimierung von Katalysatortinten und deren Wechselwirkung mit Substraten erfordert das Know-how eines Materialwissenschaftlers. Das Management von Wärme- und Massenströmen innerhalb des Brennstoffzellenstacks und der Anlagenbilanz ist eine Aufgabe für Ingenieure. Die fortschreitende Entwicklung grüner Wasserstofftechnologien hat die Zusammenarbeit von Wissenschaftlern und Ingenieuren aus vielen Bereichen gefördert. Das Ergebnis ist ein Zustrom von Kreativität und Einblicken sowie die Entwicklung aufregender neuer Materialien und Techniken.

Zurück zu den Grundlagen

Die Arbeit in einem unbekannten Bereich bedeutet, dass man sich schnell mit den bewährten Verfahren vertraut machen und ein neues wissenschaftliches Vokabular erlernen muss. Für viele Einrichtungen war die Ausbildung in elektrochemischen Grundsätzen und Laborkenntnissen bis vor einigen Jahren kein wichtiger Schwerpunktbereich.

In einigen Fällen hat das Fehlen einer grundlegenden elektrochemischen Ausbildung zu Unstimmigkeiten bei der Angabe wichtiger Leistungsdaten geführt. Die elektrochemische Gemeinschaft hat dies zur Kenntnis genommen und einen strengeren Ansatz gefordert. Infolgedessen haben sich Experten eingeschaltet und praktische Leitlinien für die Quantifizierung und Berichterstattung in diesem Bereich erstellt.

Bei der Untersuchung von Elektrokatalysatormaterialien sind Benchmarks und genau definierte Leistungsindikatoren erforderlich. Im Jahr 2013 wurde ein umfassendes Benchmarking-Protokoll für die Bewertung und Angabe von Leistungskennzahlen für OER-Elektrokatalysatoren veröffentlicht.

Dieser JACS-Artikel [2] enthält praktische Ratschläge zur Interpretation der Katalysatoroberfläche in Bezug auf Rauheit und geometrische Oberfläche sowie zur Durchführung und Analyse von Messungen für valide Vergleiche der elektrokatalytischen Leistung.

Benchmarking heterogener Elektrokatalysatoren für die Sauerstoff-Elektrokatalysatoren für die Sauerstoff-Evolutionsreaktion (JACS, 2013)

Eine häufige Ursache für Verwirrung und Unstimmigkeiten bei elektrochemischen Messungen ist die Verwendung verschiedener Referenzelektroden (RE). Die elektrokatalytische Aktivität wird anhand des Überpotenzials beurteilt, das für eine bestimmte Produktionsrate erforderlich ist (d. h. die Stromdichte für den HER- oder OER-Prozess, Abbildung 1). Zur Messung des Potentials ist ein Drei-Elektroden-Aufbau erforderlich. Die RE ist entscheidend für die Einordnung dieses Potenzials auf einer relativen Skala, die den Vergleich von Messungen ermöglicht, die von verschiedenen Gruppen und unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt wurden.

Erfahren Sie mehr über Referenzelektroden und ihre Verwendung in unserer kostenlosen Application Note.

Referenzelektroden und ihre Verwendung

In einem im Jahr 2020 in ACS Energy Letters [3] erschienenen Viewpoint-Artikel wird detailliert erläutert, wie die Überspannung eines Elektrokatalysators anzugeben ist, wobei der Schwerpunkt auf häufig verwendeten Referenzelektroden wie Hg/HgO, Hg/Hg₂Cl₂ (SCE), und Ag/AgCl liegt.

Wie man das Überpotenzial eines Elektrokatalysators zuverlässig ermittelt (ACS, 2020)

Die reversible Wasserstoff-Elektrode (RHE) ist eine weitere häufig verwendete RE, die sich hervorragend für HER- und OER-Studien eignet. In einem kürzlich erschienenen ACS Catalysis-Artikel [4] wird erläutert, warum die RHE die ideale Referenzelektrode für die Elektrolyseforschung ist. Ebenso wird erklärt, wie man eine RHE vorbereitet und mit ihr arbeitet. Üblicherweise werden alle Standard-Redoxpotentiale gegen die Standard-Wasserstoffelektrode (SHE) angegeben. Die RHE ist eine pH-abhängige Erweiterung der SHE und bezieht sich auf die Reduktion eines Protons unter nicht standardisierten Bedingungen, wie durch die Nernst-Gleichung beschrieben.

Standard- und umkehrbare Wasserstoff-Elektroden: Theorie, Design, Betrieb und Anwendungen (ACS, 2020)

Elektrolyseure arbeiten sowohl unter sauren als auch unter alkalischen Bedingungen, daher werden die HER und die OER über den gesamten Bereich der pH-Skala hinweg untersucht (Abbildung 1). Die RHE ist für den Einsatz bei jedem pH-Wert geeignet und weist die gleiche Abhängigkeit vom pH-Wert auf wie die HER und die OER.

Eine gemeinsame Basis, auf der man aufbauen kann

Es ist von entscheidender Bedeutung, eine gemeinsame Sprache und ein gemeinsames Verständnis zwischen diesen verschiedenen Bereichen zu finden. Dieser JOC-Synopsis-Artikel [5] erläutert elektrochemische Konzepte für organische Chemiker. Der Artikel ist sehr anschaulich und bietet Schemata, die Konzepte wie freie Energie, Redoxpotential und Überpotential miteinander verbinden. Die Gleichgewichtsthermodynamik hilft dabei, einen gemeinsamen Bezugspunkt zu schaffen, mit dem alle Chemiker etwas anfangen können.

"Wie sollte ich über Spannung denken? Was ist Überspannung?": Eine organisch-chemische Intuition für die Elektrochemie entwickeln (JOC, 2021)

Zur Quantifizierung der Energieeffizienz von Elektrolysezellen und Elektrolyse-Stacks wird häufig eine thermodynamische Analyse durchgeführt. In einem kürzlich im Journal of Power Sources [6] erschienenen Artikel werden die unterschiedlichen Definitionen für den Energieeffizienzkoeffizienten in der akademischen und industriellen Literatur hervorgehoben. Der Artikel enthält Ableitungen für verschiedene Bedingungen und erinnert die Leser daran, dass bei der Analyse sowohl Elektrizität als auch Wärme berücksichtigt werden müssen.

Eine kritische Überprüfung der Definition zur Berechnung der Energieeffizienzkoeffizienten von Wasserelektrolysezellen, die unter Bedingungen nahe der Umgebungstemperatur arbeiten. (J. Power Sources, 2020)

Zusammenfassung

Die in diesem Blogbeitrag erwähnten Artikel stellen nur einen kleinen Teil der zahlreichen Ressourcen dar, die für ein gemeinsames Verständnis und eine bessere Zusammenarbeit zwischen allen Forschern zur Verfügung stehen, die an der Verbesserung grüner Wasserstofftechnologien arbeiten. Als die COVID-Pandemie die Arbeit in den Labors und die Reisetätigkeit vieler Menschen zum Erliegen brachte, machte die Forschungsgemeinschaft mit großem Enthusiasmus weiter.

Online-Seminare, die offen und kostenlos abgehalten werden, sowie freie Arbeitsgruppen, haben Wissenschaftler aus verschiedenen Disziplinen und aus aller Welt zusammengebracht. So wurde beispielsweise 2021 das elektrochemische Online-Kolloquium ins Leben gerufen. Diese fortlaufende Vortragsreihe befasst sich mit wichtigen Themen der Elektrochemie und bietet neben den Lehrinhalten auch die persönliche Sichtweise von Experten.

Elektrochemisches Online-Kolloquium

Ihr Wissen zum Mitnehmen

AN-EC-027: Messung des Potentials an der Gegenelektrode mit VIONIC- Eine Fallstudie zur Platin-Oxidation in sauren Medien

AN-EC-003: Spannungsabfall Teil 1 – Grundbegriffe

AN-EC-004: Spannungsabfall Teil 2 – Messung

AN-EC-007: Unterschiede zwischen digitalen Scans, analogen Scans und Signalintegration

Referenzen

1. Green Hydrogen Cost Reduction: Scaling up Electrolysers to Meet the 1.5°C Climate Goal; International Renewable Energy Agency: Abu Dhabi, 2020.
2. McCrory, C. C. L.; Jung, S.; Peters, J. C.; et al. Benchmarking Heterogeneous Electrocatalysts for the Oxygen Evolution Reaction. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135 (45), 16977–16987. doi:10.1021/ja407115p
3. Niu, S.; Li, S.; Du, Y.; et al. How to Reliably Report the Overpotential of an Electrocatalyst. ACS Energy Lett. 2020, 5 (4), 1083–1087. doi:10.1021/acsenergylett.0c00321
4. Jerkiewicz, G. Standard and Reversible Hydrogen Electrodes: Theory, Design, Operation, and Applications. ACS Catal. 2020, 10 (15), 8409–8417. doi:10.1021/acscatal.0c02046
5. Nutting, J. E.; Gerken, J. B.; Stamoulis, A. G.; et al. “How Should I Think about Voltage? What Is Overpotential?”: Establishing an Organic Chemistry Intuition for Electrochemistry. J. Org. Chem. 2021, 86 (22), 15875–15885. doi:10.1021/acs.joc.1c01520
6. Lamy, C.; Millet, P. A Critical Review on the Definitions Used to Calculate the Energy Efficiency Coefficients of Water Electrolysis Cells Working under near Ambient Temperature Conditions. J. Power Sources 2020, 447, 227350. doi:10.1016/j.jpowsour.2019.227350