Aus Sonnenenergie mach Wasserstoff

Neuer Katalysator für Energiespeicherung der Zukunft

18.07.2017 | PAUL SCHERRER INSTITUT/PAUL PIWNICKI

Damit Sonnen- und Windenergie einen grösseren Beitrag zur künftigen Energieversorgung leisten können, müssen sie effizient gespeichert werden können, etwa in Form von Wasserstoff. Dies geschieht durch die elektrische Spaltung von Wasser in einem «Elektrolyseur». Dank eines neuen Katalysatormaterials, das Forschende des Paul Scherrer Instituts (PSI) und der Empa entwickelt haben, dürften diese in Zukunft günstiger und effizienter werden. Das Team konnte zudem zeigen, wie sich der neue Katalysator in grossen Mengen herstellen lässt, wie sie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift «Nature Materials» berichten.

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Die Forschenden Emiliana Fabbri und Thomas Schmidt in einem Labor am PSI, an dem sie die Leistungsfähigkeit des neuentwickelten Katalysators für Elektrolyseure untersucht haben. (Foto: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic)

Da Sonnen- und Windenergie nicht immer verfügbar sind, können sie nur dann einen wesentlichen Beitrag zu einer nachhaltigen Energieversorgung leisten, wenn sie effizient gespeichert werden können. Ein viel versprechender Weg ist die Speicherung in Form von Wasserstoff. Dazu wird Wasser in einem Elektrolyseur mithilfe von Strom aus Sonnen- oder Windenergie in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Der Wasserstoff dient dann als Energieträger – er kann in Tanks gespeichert und später etwa mithilfe von Brennstoffzellen wieder in elektrische Energie umgewandelt werden, zum Beispiel in Wohnhäusern oder in Brennstoffzellenfahrzeugen, die eine Mobilität ganz ohne CO2-Ausstoss ermöglichen würden.

Billig – und erst noch effizient
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Nanopartikel eines Perowskits, die als effizienter Katalysator in einem Elektrolyseur eingesetzt werden können. Das kleine Bild zeigt eine Vergrösserung der Struktur. (Foto: Paul Scherrer Institut/Emiliana Fabbri)

Forschende des Paul Scherrer Instituts (PSI) haben nun ein neues Material entwickelt, das als Katalysator die Aufspaltung der Wassermoleküle beschleunigt, der erste Schritt der Erzeugung von Wasserstoff. «Es gibt heute zwei Typen von Elektrolyseuren auf dem Markt: Die einen sind effizient, aber teuer, weil deren Katalysatoren unter anderem Edelmetalle wie Iridium enthalten. Die anderen sind günstiger, aber weniger effizient», erklärt die PSI-Forscherin Emiliana Fabbri. «Wir wollten einen effizienten Katalysator entwickeln, der günstig ist, weil er ohne Edelmetalle auskommt.»

Dabei haben die Forschenden auf ein bereits bekanntes Material zurückgegriffen: eine komplexe Verbindung der Elemente Barium, Strontium, Kobalt, Eisen und Sauerstoff – ein so genannter Perowskit. Sie haben aber als Erste ein Verfahren entwickelt, mit dem er sich in Form winziger Nanopartikel erzeugen lässt. Nur so kann er effizient wirken, denn ein Katalysator benötigt eine möglichst grosse Oberfläche, an der die elektrochemischen Reaktionen ablaufen.

Zur Herstellung des Nanopulvers kam ein so genanntes Flame-Spray-Gerät an der Empa zum Einsatz, mit dem Empa-Forscher verschiedenste Materialien in Pulverform herstellen können. Darin werden die Bestandteile des Materials gemeinsam durch eine Flamme geleitet, vermischen sich dabei und erstarren schnell zu kleinen Partikeln, sobald sie die Flamme verlassen. Die Herausforderung war nun, das Gerät so zu betreiben, dass die Atome der verschiedenen Elemente in der richtigen Struktur zusammenfinden. Indem sie den Sauerstoffgehalt gezielt variierten, konnten die Forscher zudem verschiedene Varianten des Perowskit-Materials erzeugen.

Im Praxistest bewährt

Die Forschenden haben ausserdem gezeigt, dass ihre Entwicklungen nicht nur im Laborversuch funktionieren, sondern auch praxistauglich sind. So liefert das vorgestellte Herstellungsverfahren grosse Mengen des Katalysatorpulvers und dürfte sich leicht auf Industriemassstab hochskalieren lassen. «Es war uns auch wichtig, den Katalysator einem echten Praxistest zu unterziehen», so Fabbri. Daher testeten die Forschenden den Katalysator in Kooperation mit einem amerikanischen Hersteller von Elektrolyseuren und konnten dabei zeigen, dass das Gerät mit dem neuen Perowskit zuverlässiger arbeitete als mit einem konventionellen Iridium-Oxid-Katalysator.

Weitere Informationen

Prof. Dr. Thomas J. Schmidt
Leiter des Labors für Elektrochemie
Tel. +41 56 310 57 65

Dr. Emiliana Fabbri
Forschungsgruppe Elektrokatalyse und Grenzflächen
Labor für Elektrochemie
Tel. +41 56 310 27 95

Prof. Dr. Thomas Graule
Empa, High Performance Ceramics
Tel. +41 58 765 41 23


Redaktion / Medienkontakt
Dr. Michael Hagmann
Empa, Kommunikation
Tel. +41 58 765 45 92

Literatur
Dynamic Surface Self-Reconstruction is the Key of Highly Active Perovskite Nano-Electrocatalysts for Water Splitting, Emiliana Fabbri, Maarten Nachtegaal, Tobias Binniger, Xi Cheng, Bae-Jung Kim, Julien Durst, Francesco Bozza, Thomas J. Graule, Robin Schäublin, Luke H. Wiles, Morgan Petroso, Nemanja Danilovic, Katherine Ayers, Thomas J Schmidt, Nature Materials 17 July 2017, DOI: 10.1038/nmat4938