Sparer på iridium

Iridium er en ideel katalysator til elektrolytisk produktion af brint fra vand - men det er ekstremt dyrt. Men nu gør en ny slags elektrode lavet af meget porøst materiale et fremragende stykke arbejde med blot et strejf af iridium.

I dag, kongevejen til effektiv elektrolyse af vand til produktion af brintgas i såkaldte proton exchange membrane (PEM) elektrolysatorer er at reducere mængden af ​​katalytisk højaktivt, men skræmme nobelmetal iridium og samtidig opretholde brintproduktionen. I denne type elektrolyseceller migrerer hydrogenionerne via en protonudvekslingsmembran fra den oxygenproducerende anode til den hydrogenproducerende katode. Den membranbaserede teknik byder på mange fordele. Selve den katalysatorbelagte membran er meget tynd, hvilket gør selve elektrolysecellen lille og mere alsidig, og fraværet af en flydende elektrolyt betyder, at hele systemet næsten ikke kræver vedligeholdelse. Sådanne celler tillader også brintproduktion ved forhøjede tryk, hvilket letter og sænker energibehovet til yderligere lagring som komprimeret gas. Endelig er dynamisk belastningsdrift mulig med PEM-teknologien til at reagere på udsving i tilgængelig strøm inden for sekunder, hvilket gør den velegnet til kobling til vedvarende energikilder.

Men teknologien har også en stor ulempe. Dannelse af oxygen ved anoden er afhængig af brugen af ​​iridiumoxid (IrO2) som katalysator. IrO2 er en meget stabil og effektiv promotor for denne reaktion. Problemet er, at iridium i sig selv er sjældnere end guld eller endda platin, og den er mindst lige så dyr som sidstnævnte. Der er gjort mange forsøg på at finde et alternativ, men intet testet nærmer sig langsigtet stabilitet og katalytisk aktivitet af iridiumoxid.

Bare et strejf af iridium er nok

Nu LMU-baserede kemikere involveret i Cluster of Excellence e-konvertering, i samarbejde med et team hos Forschungszentrum Jülich, har haft held med at øge udbyttet af brint med en faktor otte (i forhold til en kommerciel referenceelektrode) ved at anvende et nyt og meget porøst materiale som katalysator. Denne succes indebærer, at det skal være muligt at udvikle en elektrolytisk celle, der opnår samme effektivitet som nuværende iridium-baserede systemer, men kun kræver 10% så meget iridium.

Den nye elektrode blev udviklet inden for rammerne af Kopernikus Power-2-X Research Network, som er finansieret af Forbundsministeriet for Uddannelse og Forskning. Dens design og ydeevne er beskrevet i et papir offentliggjort i tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer . Systemet gør brug af en ny oxidisk understøtning med høj porøsitet, hvorpå iridium kan fordeles jævnt som en tynd film, som er let tilgængelig for vandmolekyler og udviser høj katalytisk aktivitet.

Indlæsning af katalysatoren i hver eneste pore

Holdet syntetiserede først nanostrukturerede og ledende antimon-doterede tinoxidmikropartikler. Disse partikler giver et meget porøst stillads til binding af iridiumkatalysatoren. De fremstillede derefter en vandig kolloid suspension af iridiumoxidnanopartikler, som blev fyldt i de porøse mikropartikler ved hjælp af en solvotermisk reaktion ved høj temperatur og tryk. Dette resulterede i reduktionen af ​​iridiumoxidpartiklerne til metallisk Ir. Et sidste termisk oxidationstrin førte derefter til dannelsen af ​​iridiumoxidnanopartikler i porerne i det metalliske stillads. Efterfølgende scanningselektronmikroskopi bekræftede, at hvert sidste hulrum i stilladset var belagt med en tynd film af katalysatoren. – Og sandelig, elektroder overtrukket med det nye materiale bestod den sidste test med glans. Med hensyn til aktivitet, dvs. brintgenerering, effektiviteten pr. gram bundet iridium oversteg effektiviteten af ​​et kommercielt tilgængeligt PEM med ikke mindre end otte gange.

Som papirets første forfatter Daniel Böhm påpeger, synteseproceduren har en stor fordel. "Vi kan nu fokusere på at optimere hver parameter individuelt. De relevante faktorer, der kan justeres, omfatter sammensætning, struktur og porestørrelse af materialet, dens ledningsevne og niveauet af belastning med iridium. I sidste ende vil vi få en meget aktiv, fuldt optimeret system. Alle trin i den syntetiske rute er også kompatible med kravene til produktion i industriel skala, så tilgangen kan være moden til teknisk anvendelse inden for relativt kort tid."

Det materiale, der i øjeblikket anvendes i kommercielle elektrolysatorer, skal opfylde meget høje standarder for at garantere stabil drift over mange år. Kommende projekter, der vil løse dette problem, er allerede planlagt, siger prof. Dina Fattakhova-Rohlfing fra Forschungszentrum Jülich. "Først, vi ønsker at syntetisere endnu mere stabile katalysatorer ved hjælp af nye nanoarkitekturer. Og så vil vi gerne undersøge, hvordan disse materialers egenskaber opfører sig, når de udsættes for driftsforhold over længere tid."