Entwicklung von Technologien zur Reduzierung der Kosten für die Produktion von grünem Wasserstoff

02. Juni 2023 (Nanowerk-Neuigkeiten) Grüner Wasserstoff, der Wasserstoff ohne den Einsatz fossiler Brennstoffe oder den Ausstoß von Kohlendioxid erzeugt, hat in den letzten Jahren im Rahmen der Bemühungen zur Verwirklichung einer dekarbonisierten Wirtschaft zunehmend an Bedeutung gewonnen. Aufgrund der hohen Produktionskosten von Wasserelektrolysegeräten, die grünen Wasserstoff produzieren, ist die wirtschaftliche Machbarkeit von grünem Wasserstoff jedoch nicht sehr hoch. Die Entwicklung einer Technologie, die die Menge an seltenen Metallen wie Iridium und Platin, die in Wasserelektrolysegeräten mit Polymerelektrolytmembran verwendet werden, drastisch reduziert, ebnet den Weg zu niedrigeren Produktionskosten. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Hyun S. Park und Sung Jong Yoo vom Hydrogen and Fuel Cell Research Center am Korea Institute of Science and Technology (KIST) gab bekannt, dass sie eine Technologie entwickelt haben, mit der die Menge an Platin erheblich reduziert werden kann Iridium, ein Edelmetall, das in der Elektrodenschutzschicht von Wasserelektrolysegeräten mit Polymerelektrolytmembran verwendet wird, gewährleistet eine Leistung und Haltbarkeit auf dem Niveau bestehender Geräte (Angewandte Katalyse B Umwelt, „Hochleistungs-Wasserelektrolyseur mit minimalem Einsatz von Platingruppenmetallen: Eisennitrid-Iridiumoxid-Kern-Schale-Nanostrukturen für eine stabile und effiziente Sauerstoffentwicklungsreaktion“). Katalysatorform, hergestellt mit der neuen Technologie (Rot-Iridium-Katalysator/Grün-Eisennitrid). (Bild: Korea Institute of Science and Technology) Insbesondere im Gegensatz zu früheren Studien, die sich auf die Reduzierung der Menge an Iridiumkatalysator unter Beibehaltung der Struktur konzentrierten, die eine große Menge Platin und Gold als Elektrodenschutzschicht verwendet, ersetzten die Forscher das Edelmetall in der Elektrodenschutzschicht mit kostengünstigem Eisennitrid mit großer Oberfläche und einer gleichmäßigen Beschichtung mit einer kleinen Menge Iridiumkatalysator darauf, wodurch die Wirtschaftlichkeit der Elektrolysevorrichtung erheblich gesteigert wird. Das Wasserelektrolysegerät mit Polymerelektrolytmembran ist ein Gerät, das hochreinen Wasserstoff und Sauerstoff durch Zersetzung von Wasser mithilfe von Strom aus erneuerbaren Energien wie Solarenergie erzeugt und eine Rolle bei der Wasserstoffversorgung verschiedener Industriezweige wie der Stahlerzeugung und der Chemie spielt. Darüber hinaus ist es für die Energieumwandlung vorteilhaft, erneuerbare Energie als Wasserstoffenergie zu speichern, sodass die Steigerung der Wirtschaftlichkeit dieser Vorrichtung für die Verwirklichung der grünen Wasserstoffwirtschaft von großer Bedeutung ist. In einem typischen Elektrolysegerät gibt es zwei Elektroden, die Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen, und für die Sauerstoff erzeugende Elektrode, die in einer stark korrosiven Umgebung arbeitet, wird die Oberfläche der Elektrode mit 1 mg/cm Gold oder Platin beschichtet2 als Schutzschicht, um Haltbarkeit und Produktionseffizienz zu gewährleisten, und 1-2 mg/cm2 Darauf ist ein Iridiumkatalysator aufgetragen. Die in diesen Elektrolysegeräten verwendeten Edelmetalle verfügen über sehr geringe Reserven und Produktion, was ein wesentlicher Faktor ist, der die weit verbreitete Einführung von Geräten zur Herstellung von grünem Wasserstoff behindert. Schematische Darstellung des Elektrodenherstellungsprozesses für diese Entwicklung. (Bild: Korea Institute of Science and Technology) Um die Wirtschaftlichkeit der Wasserelektrolyse zu verbessern, ersetzte das Team die seltenen Metalle Gold und Platin, die als Schutzschicht für die Sauerstoffelektrode in Wasserstoffproduktionsgeräten mit Polymerelektrolytmembran verwendet werden, durch kostengünstiges Eisennitrid (Fe).2N). Zu diesem Zweck entwickelte das Team ein Verbundverfahren, bei dem die Elektrode zunächst gleichmäßig mit Eisenoxid beschichtet wird, das eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist, und das Eisenoxid anschließend in Eisennitrid umgewandelt wird, um dessen Leitfähigkeit zu erhöhen. Das Team entwickelte außerdem einen Prozess, der einen etwa 25 Nanometer (nm) dicken Iridiumkatalysator gleichmäßig auf die Eisennitrid-Schutzschicht aufträgt und so die Menge des Iridiumkatalysators auf weniger als 0.1 mg/cm reduziert2Dies führt zu einer Elektrode mit hoher Wasserstoffproduktionseffizienz und Haltbarkeit. Die entwickelte Elektrode ersetzt das Gold oder Platin, das als Schutzschicht für die Sauerstoff erzeugende Elektrode verwendet wird, durch unedle Metallnitride, behält dabei eine ähnliche Leistung wie bestehende kommerzielle Elektrolyseeinheiten bei und reduziert die Menge an Iridiumkatalysator auf 10 % des vorhandenen Niveaus. Darüber hinaus wurde die Elektrolyseeinheit mit den neuen Komponenten über 100 Stunden lang betrieben, um ihre Anfangsstabilität zu überprüfen. „Die Reduzierung der Menge an Iridiumkatalysator und die Entwicklung alternativer Materialien für die Platinschutzschicht sind für den wirtschaftlichen und weit verbreiteten Einsatz von Polymerelektrolytmembran-Produktionsgeräten für grünen Wasserstoff von entscheidender Bedeutung, und die Verwendung von kostengünstigem Eisennitrid anstelle von Platin ist von großer Bedeutung“, sagte er Dr. Hyun S. Park von KIST. „Nachdem wir die Leistung und Haltbarkeit der Elektrode weiter beobachtet haben, werden wir sie in naher Zukunft in kommerziellen Geräten einsetzen.“

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• Quelle: https://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=63099.php