Wie lässt sich grüner Wasserstoff effizienter und günstiger produzieren? Kleine Rutheniumpartikel und solare Wasserelektrolysesysteme könnten die Antwort liefern. Dies ist die Lösung, die von einem gemeinsamen Team aus dem Italienischen Institut für Technologie (IIT) in Genua und BeDimensional S.p.A. (einem Spin-off-Unternehmen des IIT) gefunden wurde.
Die im Rahmen der Aktivitäten des gemeinsamen Labors entwickelte und kürzlich in zwei hochwirksamen Fachzeitschriften (Nature Communications und Journal of the American Chemical Society) veröffentlichte Technologie basiert auf einer neuen Familie von Elektrokatalysatoren, die die Kosten für die Produktion von grünem Wasserstoff im industriellen Maßstab senken könnten.
Wasserstoff gilt als nachhaltiger Energieträger und Alternative zu fossilen Brennstoffen. Aber nicht jeder Wasserstoff ist gleich, wenn es um die Umweltauswirkungen geht. Tatsächlich ist die derzeit wichtigste Methode zur Herstellung von Wasserstoff die Methan-Dampfreformierung, ein auf fossilen Brennstoffen basierender Prozess, bei dem Kohlendioxid (CO2) als Nebenprodukt freigesetzt wird.
Der dabei erzeugte Wasserstoff wird in „grau“ (das Kohlendioxid wird in die Atmosphäre abgegeben) und „blau“ (das Kohlendioxid wird aufgefangen und geologisch gespeichert) klassifiziert. Um die Emissionen bis 2050 deutlich auf Null zu reduzieren, müssen diese Prozesse durch umweltfreundlichere Prozesse ersetzt werden, um „grünen“ (d. h. Netto-Null-Emissionen) Wasserstoff zu liefern. Die Kosten für „grünen“ Wasserstoff hängen in erster Linie von der Energieeffizienz des Geräts (Elektrolyseur) ab, das Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff trennt.
Forscher des gemeinsamen Teams hinter der Entdeckung haben eine neue Methode entwickelt, die eine höhere Effizienz als derzeit bekannte Methoden bei der Umwandlung elektrischer Energie (der Energievorspannung, die bei der Spaltung von Wassermolekülen ausgenutzt wird) in chemische Energie verspricht, die in den resultierenden Wasserstoffmolekülen gespeichert wird. Das Forschungsteam entwickelte das Konzept eines Katalysators und nutzte erneuerbare Energien, beispielsweise durch Solarpaneele erzeugten Strom.
„Unsere Studie zeigt, dass es möglich ist, die Effizienz einer ausgereiften Technologie zu maximieren, obwohl die Anfangsinvestition etwas höher ist als die, die für Standard-Elektrolyseure erforderlich ist. Das liegt daran, dass wir Ruthenium, ein Edelmetall, verwenden“, kommentieren Zuo Yong und Michele Ferri von der Nanochemie-Gruppe des Internationalen Polytechnischen Instituts von Genua.
Die Forscher verwendeten Nanopartikel aus Ruthenium, einem Edelmetall, das ähnliche chemische Eigenschaften wie Platin hat, aber viel billiger ist. Ruthenium-Nanopartikel dienen als aktive Phase in der Kathode des Elektrolyseurs und erhöhen so die Effizienz des gesamten Elektrolyseurs.
„Wir haben die katalytische Aktivität unseres Materials durch elektrochemische Analysen und Tests unter industriell wichtigen Bedingungen bewertet. Darüber hinaus konnten wir durch theoretische Simulationen das katalytische Verhalten von Ruthenium-Nanopartikeln auf molekularer Ebene verstehen, also den Mechanismus der Wasserspaltung auf ihrer Oberfläche verstehen“, erklären Sebastiano Bellani und Marilena Zappia von BeDimensional, die an der Entdeckung beteiligt waren. „Durch die Kombination experimenteller Daten und anderer Prozessparameter führten wir eine technisch-ökonomische Analyse durch, die zeigte, dass die Technologie im Vergleich zu hochmodernen Elektrolyseuren wettbewerbsfähig ist.“
Ruthenium, ein Edelmetall, das als Nebenprodukt der Platingewinnung entsteht, wird in kleinen Mengen (30 Tonnen pro Jahr im Vergleich zu 200 Tonnen pro Jahr bei Platin) aber zu geringeren Kosten (18,50 US-Dollar pro Gramm im Vergleich zu 30 US-Dollar bei Platin) hergestellt. Die neue Technologie verbraucht nur 40 Milligramm Ruthenium pro Kilowatt, im Gegensatz zum starken Einsatz von Platin (bis zu 1 Gramm pro Kilowatt) und Iridium (1 bis 2,5 Gramm pro Kilowatt, wobei Iridium etwa 150 US-Dollar pro Gramm kostet) beim Protonenaustauschmembran-Elektrolyseur.
Durch den Einsatz von Ruthenium haben Forscher des Indian Institute of Technology und BeDimensional die Effizienz alkalischer Elektrolyseure verbessert, eine Technologie, die aufgrund ihrer Robustheit seit Jahrzehnten eingesetzt wird. Diese Technologie wurde beispielsweise in der Raumkapsel Apollo 11 eingesetzt, die 1969 Menschen zum Mond schickte. Eine neu entwickelte Reihe von Kathoden auf Rutheniumbasis für alkalische Elektrolyseure ist hocheffizient und hat eine lange Lebensdauer, wodurch die Kosten für die Produktion von grünem Wasserstoff gesenkt werden.
„Wir planen, diese und andere Technologien, wie beispielsweise nanostrukturierte Katalysatoren auf Basis nachhaltiger 2D-Materialien, in Zukunft in modernisierten Elektrolyseuren anzuwenden, die mit erneuerbaren Energiequellen betrieben werden, einschließlich Strom, der durch Photovoltaikmodule erzeugt wird“, schlussfolgerten die Forscher.
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily