Wie tragen Nanomaterialien auf Iridiumbasis zu einer grüneren Zukunft bei?

Der Metrohm-Posterpreis wurde vor 29 Jahren anlässlich der Konferenz für Elektroanalytische Chemie (ELACH) eingeführt und ist zu einer langjährigen Tradition geworden. Die jüngste Ausgabe dieses Preises wurde anlässlich der Electrochemistry 2022 in Berlin, Deutschland, an zwei Gewinner vergeben. Die Konferenz stand unter dem Motto "An der Schnittstelle zwischen Chemie und Physik" und zog über 600 Wissenschaftler aus verschiedenen Bereichen der Elektrochemie an. Die Electrochemistry 2022 diente den Teilnehmern als postpandemische Plattform zur Erkundung neuester Trends und Anwendungen und zum Austausch von Fortschritten in wichtigen Bereichen wie Sensorik, Energiespeicherung, CO2-Reduktion, Photoelektrochemie, Bioelektrochemie, Elektrosynthese, Korrosion, elektrochemische Analytik und Elektrokatalyse.

Metrohm Poster Award 2022 Gewinner

Mehr als 300 Posterpräsentationen wurden eingereicht, und der Posterausschuss (Mitglieder des wissenschaftlichen Gremiums) wählte sorgfältig die beiden besten aus. Die Gewinner wurden dann bei der Preisverleihung mit einem Preis von je 500 € geehrt.

Die Forschung von Marko Malinović wird in diesem Artikel vorgestellt. Sein Poster trägt den Titel: "Größenkontrollierte Synthese von kristallinen IrO₂-Nanopartikeln für die Sauerstoffentwicklungsreaktion in saurem Milieu".

CO₂, Klimawandel und Autos

Die Umsetzung von Strategien zur Eindämmung des Klimawandels ist von äußerster Wichtigkeit. Die Folgen der übermäßigen CO₂-Emissionen und der daraus resultierenden Beeinflussung des regionalen Klimas sind bereits spürbar und führen zu einem häufigeren Auftreten von Naturkatastrophen mit unvermeidlichen menschlichen Opfern.

Die starke Abhängigkeit des Verkehrssektors von fossilen Brennstoffen verursachte daher im Jahr 2021 37 % der gesamten CO₂-Emissionen [1]. Trotz der zunehmenden Zahl von Elektroautos auf den Straßen sind weitere umweltfreundliche technologische Lösungen erforderlich, um die Herausforderung der CO₂-Emissionsreduzierung zu bewältigen.

In letzter Zeit hat man sich verstärkt mit wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen als Teillösung befasst. Diese Fahrzeugklasse basiert auf der Brennstoffzellentechnologie, bei der Wasserstoff (in einer Reaktion mit Sauerstoff) den für den Antrieb des Fahrzeugs benötigten Strom erzeugt, wobei als Nebenprodukte lediglich Wasser und Wärme entstehen. Auch wenn dies ideal klingt, kann Wasserstoff nur dann als klimaneutral angesehen werden, wenn er aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt wird. Im Jahr 2020 wurden in Deutschland insgesamt 57 TWh Wasserstoff produziert, wovon ein Drittel aus der Dampfreformierung fossiler Brennstoffe stammt und somit direkt mit hohen CO₂-Emissionen verbunden ist [2]. Der weltweite Anteil von Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen, der als "grüner Wasserstoff" bezeichnet wird, beträgt weniger als     1 %, was alarmierend aufzeigt, wo der Schwerpunkt verlagert werden muss, um etwas zu bewirken.

Wasserelektrolyse

Die vorgeschlagene Lösung zur Umgehung übermäßiger CO₂-Emissionen bei der Herstellung von Wasserstoff ist die elektrochemische Wasserspaltung. Die elektrische Energie, die für die endotherme Reaktion der Wasserspaltung benötigt wird, stammt aus erneuerbaren Quellen, was zur Herstellung von grünem Wasserstoff führt.

Unter den verschiedenen Elektrolysetechnologien, die für die Produktion im industriellen Maßstab zur Verfügung stehen, werden am häufigsten alkalische Wasserelektrolyseure und Polymer-Elektrolyt-Membran-Wasserelektrolyseure (PEM) eingesetzt. Letztere bietet eine bis zu viermal höhere Stromdichte und ist besser an die manchmal recht unvorhersehbare Stromeinspeisung aus erneuerbaren Energiequellen anpassbar [3]. Verglichen mit der aktuellen Preisentwicklung bei fossilen Brennstoffen ist grüner Wasserstoff inzwischen voll wettbewerbsfähig und in einigen Teilen der Welt sogar billiger als Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen.

Dies wirft die folgende Frage auf: Was hindert diese Technologie daran, einen größeren Anteil an der weltweiten Wasserstoffproduktion zu halten?

Kann grüner Wasserstoff den Mobilitätssektor in Zukunft dekarbonisieren?

Um diese Frage zu beantworten, konzentrieren wir uns auf PEM-Wasserelektrolyseure (PEM-WE). Diese Elektrolyseure können bequem unter dynamischen Bedingungen betrieben werden, was ihre Kopplung mit erneuerbaren Energiequellen ermöglicht. Letztendlich kann überschüssiger Strom in Form von Wasserstoff gespeichert werden.

Damit dies gelingt, müssen in der PEM-Zelle zwei elektrochemische Reaktionen ablaufen. An der Anode wird Wasser oxidiert, um Sauerstoff, Elektronen und Protonen in der so genannten Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) zu erzeugen. Folglich werden Protonen durch die Membran geleitet und an der Kathode reduziert, um Wasserstoff zu bilden (Abbildung 1).

Obwohl Wasserstoff das gewünschte Produkt ist, besteht der Engpass dieses Prozesses in der trägen OER, die die Gesamteffizienz des Wasserelektrolyseurs direkt beeinflusst. Zur Überwindung des kinetischen Problems der OER, das zusammen mit der sauren Umgebung, die von einer Polymer-Elektrolyt-Membran ausgeht, ziemlich raue Bedingungen in der Zelle schafft, werden hohe Potentiale angelegt, was die Wahl der Katalysatoren für diese Reaktion meist auf Edelmetalle beschränkt.

Iridium als Retter in der Not, aber zu einem hohen Preis

Von den verschiedenen erforschten Materialien haben Katalysatoren auf Iridiumbasis den besten Kompromiss zwischen katalytischer Aktivität und Haltbarkeit geboten [4]. Hier liegt jedoch auch das Hauptproblem für ein erfolgreiches Scale-up der PEM-Wasserelektrolyse. Die geschätzte Verfügbarkeit von Iridium beträgt etwa sieben Tonnen pro Jahr, was es zu einem der knappsten Metalle der Welt macht [5]. Die geringen Mengen an verfügbarem Iridium, sowie die unbeständige Entwicklung von Angebot und Nachfrage und höhere Gewalt im Zusammenhang mit den wichtigsten Abbaustätten, spiegeln sich in seinem Preis wider, der im Jahr 2023 auf etwa 150.000 € pro kg in die Höhe geschnellt ist (gegenüber einem Höchststand von 172.200 € pro kg Ende April 2022) [6].

Angesichts der hohen und unvorhersehbaren Kosten und der Verfügbarkeit von Iridium besteht eine große wissenschaftliche Herausforderung darin, einen Weg zu finden, die Beladung des in PEM-WE verwendeten Katalysators auf Iridiumbasis zu reduzieren und gleichzeitig eine hohe Leistung und Haltbarkeit zu gewährleisten. Interessanterweise berechneten Bernt et al. [7] dass die iridiumspezifische Leistungsdichte im Vergleich zum heutigen Stand um den Faktor 50 reduziert werden muss, wenn der Transportsektor bis zum Jahr 2100 durch wasserstoffbetriebene Fahrzeuge dekarbonisiert werden soll.

Nanomaterialien für nachhaltige Energieumwandlung

Die Schwere dieser Herausforderung ist die treibende Kraft hinter der Forschung von Marko Malinović in der Gruppe von Prof. Dr. Marc Ledendecker. Die Entwicklung eines effizienten und langlebigen Katalysators auf Iridiumbasis mit einer reduzierten Menge an Edelmetall ist keine triviale Aufgabe. In der Literatur werden zahlreiche Katalysatordesigns (Abbildung 1) beschrieben, die sich mit dieser Herausforderung befassen. Dazu gehören Iridium als blankes Metall, Metalloxide, gemischte Metalloxide, Kern-Schale-Strukturen, ausgelaugte Oxide und nanostrukturierte Materialien [8]. Markos Forschung konzentriert sich auf Iridiumoxid-Materialien, da sie potenziell eine metallähnliche Leitfähigkeit, aber auch eine bessere Haltbarkeit als ihre metallischen Gegenstücke bieten können.

Um eine maximale Nutzung des Katalysators zu gewährleisten, zielt Markos Forschung auf die Synthese von Nanomaterialien ab, die ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen aufweisen, da nur die Oberfläche des Katalysators aktiv an der Katalyse beteiligt ist. Obwohl amorphes Iridiumoxid (IrO₂) für seine überragende Aktivität gegenüber OER bekannt ist, ist die Haltbarkeit noch nicht ausreichend, um längere Betriebszeiten zu gewährleisten [9]. Kristallines Iridiumoxid, das bei Temperaturen ≥400 °C gewonnen wird, hat einen positiven Einfluss auf die Stabilität des Katalysators [10]. Allerdings führen hohe Kalzinierungstemperaturen unweigerlich zu einer Abnahme der katalytisch aktiven Oberfläche.

Die in der Ledendecker-Forschungsgruppe entwickelte neuartige Syntheseroute bietet die Möglichkeit, IrO₂-Nanopartikel zu synthetisieren, deren Partikelgröße und Morphologie auch nach der thermischen Behandlung bei hohen Temperaturen erhalten bleibt [11]. Das Besondere an dieser Methode ist die Tatsache, dass die Verbesserung der Haltbarkeit nicht auf Kosten der katalytisch aktiven Oberfläche geht. Somit ist das primäre Ziel einer maximalen Ausnutzung des Katalysators gewährleistet.

Die nächsten Schritte

Eine weitere Verringerung der Menge dieses kostbaren Edelmetalls ist erforderlich. Dies könnte durch die Einführung eines reichlich in der Erde vorkommenden Materials als Kernmaterial erreicht werden, das anschließend mit einer dünnen Schicht IrO₂ überzogen wird, wodurch eine als "Kern-Schale" bekannte Struktur entsteht (Abbildung 1) [12].

Die Wahl des richtigen Kernmaterials könnte einen entscheidenden Einfluss auf die endgültigen elektrochemischen Eigenschaften der aktiven Iridiumoxid-Schale haben. Neben der thermodynamischen Kompatibilität zwischen Kern- und Schalenmaterial sind die wichtigsten Voraussetzungen, die Kernmaterialien erfüllen müssen, um in Frage zu kommen, ihre metallische Leitfähigkeit und ihre Korrosionsbeständigkeit in einem sauren Medium [13]. Angesichts der Tatsache, dass die Korrosionsbeständigkeit der unedlen Metalle unter den Betriebsbedingungen von PEM-WE fraglich ist, ist diese Aufgabe von großer Bedeutung und wird in Markos zukünftigen Forschungsplänen besondere Aufmerksamkeit erhalten.