Elektrolyse: Chemiker der Uni Halle entdecken, wie sich bessere Elektroden herstellen lassen

Fortschritt für erneuerbare Energien: Die Produktion von grünem Wasserstoff könnte künftig noch effizienter ablaufen. Chemikern der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) ist es durch einen ungewöhnlichen Prozessschritt gelungen, preiswerte Materialien für Elektroden so zu behandeln, dass sich ihre Eigenschaften in der Elektrolyse deutlich verbessern. Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichte die Gruppe im Fachjournal „ACS Catalysis“.

Wasserstoff soll das Speicherproblem der erneuerbaren Energien lösen. Er lässt sich in lokalen Elektrolyseuren produzieren, zwischenspeichern und dann mit hohem Wirkungsgrad in einer Brennstoffzelle wieder zu Strom machen. Darüber hinaus dient er als wichtiger Grundstoff in der chemischen Industrie. Die grüne Produktion von Wasserstoff hapert jedoch noch an der schlechten Umsetzung des eingebrachten Stromes.

„Ein Grund dafür ist, dass der zyklische Strom aus Sonne und Wind die beteiligten Materialien durch die dynamische Belastung schnell an ihre Grenzen bringt, so dass vor allem günstige Katalysatormaterialien schnell an Aktivität einbüßen“, erläutert Prof. Dr. Michael Bron vom Institut für Chemie der MLU das Grundproblem.

Seine Arbeitsgruppe hat jetzt eine Methode entdeckt, mit der sich sowohl die Stabilität als auch die Aktivität von preiswerten Nickelhydroxid-Elektroden deutlich erhöhen lässt. Nickelhydroxid stellt eine günstige Alternative zu den sehr aktiven, aber eben auch teuren Katalysatoren wie Iridium oder Platin dar.

Um die Stabilität des Materials zu erhöhen, empfiehlt die Fachliteratur, das Hydroxid auf bis zu 300 Grad zu erhitzen, was zu einer teilweisen Umwandlung zu Nickeloxid führt. Höhere Temperaturen würden auch das Hydroxid vollständig zerstören. „Das wollten wir mit eigenen Augen sehen und erhitzten das Material im Labor schrittweise auf 1.000 Grad Celsius“, sagt Bron.

Wie erwartet konnten die Forscher dabei mit zunehmender Temperatur eine Veränderung der einzelnen Partikel elektronenmikroskopisch beobachten. Sie wandelten sich in Nickeloxid um, wuchsen zu größeren Strukturen zusammen und bildeten bei sehr hohen Temperaturen Muster aus, die an Zebrastreifen erinnern.

Die elektrochemische Überprüfung zeigte aber überraschend eine konstant hohe Aktivität der Partikel, die eigentlich gar nicht mehr für die Elektrolyse hätten einsetzbar sein sollen. Generell gilt in der Elektrolyse, dass große Oberflächen und damit kleinere Strukturen aktiver sind. „Wir führen die hohe Aktivität unserer deutlich größeren Partikel daher auf einen Effekt zurück, der überraschender Weise erst bei hohen Temperaturen ausgeprägt auftritt – der Ausbildung von aktiven Oxid-Defekten an den Partikeln“, so Bron.

Mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse erkannten die Forscher, wie sich die Kristallstruktur der Hydroxid-Partikel mit steigender Temperatur verändert. Sie schlussfolgern aus ihren Beobachtungen, dass bei einer Erhitzung auf 900 Grad Celsius, bei der die Partikel die höchste Aktivität zeigten, die Defekte sich gerade in einem Übergangsprozess befinden, der bei 1.000 Grad Celsius abgeschlossen ist, wenn die Aktivität schlagartig wieder abfällt.

Da die erhitzten Partikel auch nach wiederholten Messungen nach 6.000 Zyklen immer noch 50% mehr Strom generierten als die unbehandelten Partikel, sind sich Bron und sein Team sicher, dass sie auf einen vielversprechenden Ansatz gestoßen sind. In einem nächsten Schritt wollen sie mittels Röntgenbeugung genauer verstehen, warum diese Defekte die Aktivität so stark erhöhen. Außerdem suchen sie Wege, das neue Material so herzustellen, dass auch nach der Wärmebehandlung kleinere Strukturen beibehalten werden können.

Über die Studie: Steimecke, Matthias et al. Higher-Valent Nickel Oxides with Improved Oxygen Evolution Activity and Stability in Alkaline Media Prepared by High-Temperature Treatment of Ni(OH)2. ACS Catalysis (2020). Doi: 10.1021/acscatal.9b04788