Grøn brint:Forbedring af stabiliteten af ​​iridiumkatalysatorer med titaniumoxider

Anoder til elektrolytisk spaltning af vand er sædvanligvis iridium-baserede materialer. For at øge stabiliteten af ​​iridiumkatalysatoren har et team hos HZB og en gruppe hos HI-ERN nu produceret et såkaldt materialebibliotek:en prøve, hvori koncentrationen af ​​iridium- og titaniumoxider systematisk varieres.

Analyser af de individuelle prøvesegmenter ved BESSY II i EMIL-laboratoriet viste, at tilstedeværelsen af ​​titaniumoxider kan øge stabiliteten af ​​iridiumkatalysatoren betydeligt.

En mulighed for at lagre energi fra solen eller vinden er produktionen af ​​"grøn" brint ved elektrolyse. Brint lagrer energi i kemisk form og frigiver den igen, når den forbrændes, og producerer ingen udstødningsgasser, kun vand. I dag er iridium den avancerede katalysator for denne reaktion. Iridium opløses dog i stigende grad i elektrolysecellens sure miljø, så den katalytiske effekt hurtigt aftager.

"Vi ønskede at undersøge, om stabiliteten af ​​katalysatoren kan forbedres ved at tilføje forskellige andele af titaniumoxid," siger Prof Dr. Marcus Bär (HZB). Selvom titaniumoxid ikke er katalytisk aktivt, er det meget stabilt. "Vi havde nogle indikationer på, at tilstedeværelsen af ​​titaniumoxid ville have en positiv effekt på stabiliteten uden at påvirke den katalytiske effekt af iridium. Men vi ønskede også at finde ud af, om der er et ideelt blandingsforhold."

Eksemplet som et materialebibliotek

Prøven blev produceret på Helmholtz Institute Erlangen-Nuremberg for Renewable Energies (HI-ERN) af Prof Dr. Olga Kasians team ved at sputtere titanium og iridium med lokalt varierende sammensætninger. Det er et såkaldt tyndfilmsmaterialebibliotek, hvor iridiumindholdet varierer fra 20 % til 70 %

På BESSY II; holdet brugte røntgenspektroskopiske metoder til at analysere, hvordan den kemiske struktur ændrer sig afhængigt af iridiumindholdet i de blandede iridium-titaniumoxidprøver. Flere effekter spillede en rolle her:for eksempel tilstedeværelsen af ​​titaniumsuboxider (såsom TiO og TiO_x ) forbedrede materialets ledningsevne.

Et andet spændende resultat var, at nogle af titaniumoxiderne opløses hurtigere i den vandige elektrolyt end iridium, hvilket skaber mikroporer på overfladen. Dette fremmede oxygenudviklingsreaktionen, fordi flere iridiumatomer fra de nederste lag kom i kontakt med elektrolytten.

Hovedeffekten er dog, at titaniumoxider (TiO₂ , samt TiO og TiO_x ) reducerer opløsningen af ​​iridium betydeligt. "I prøven med 30 % titanium tilsat sammenlignet med et rent iridiumelektrodemateriale, så vi en iridiumopløsning, der var cirka 70 % lavere," siger Marianne van der Merwe, der udførte målingerne som en del af sin doktorgrad hos Marcus Bär.

Høj relevans til praktisk brug

Men hvor relevante er sådanne resultater fra laboratorieforskning for industrien? "Hvis der allerede er etablerede teknologier, er det altid svært at ændre noget i starten," siger Marcus Bär. "Men her viser vi, hvordan stabiliteten af ​​anoderne kan øges markant med en overskuelig mængde indsats."

Studiet er publiceret i tidsskriftet ACS Catalysis .

Flere oplysninger: Marianne van der Merwe et al., The Chemical and Electronic Properties of Stability-Enhanced, Mixed Ir-TiOx Oxygen Evolution Reaction Catalysts, ACS Catalysis (2023). DOI:10.1021/acscatal.3c02948

Journaloplysninger: ACS-katalyse

Leveret af Helmholtz Association of German Research Centres