Speziell entwickelte Iridium-Nanostrukturen, die auf mesoporösem Tantaloxid abgeschieden werden, verbessern die Leitfähigkeit, die katalytische Aktivität und die Langzeitstabilität.
Bild: Forscher in Südkorea und den USA haben einen neuen Iridiumkatalysator mit erhöhter Aktivität bei der Sauerstoffentwicklungsreaktion entwickelt, um die kostengünstige Wasserelektrolyse mit einer Protonenaustauschmembran zur Wasserstofferzeugung zu ermöglichen. Mehr erfahren
Der weltweite Energiebedarf steigt stetig. Transportierbarer Wasserstoff birgt großes Potenzial für saubere und nachhaltige Energielösungen. In diesem Zusammenhang haben Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyseure (PEMWEs), die überschüssige elektrische Energie durch Wasserelektrolyse in transportierbaren Wasserstoff umwandeln, großes Interesse geweckt. Ihre großtechnische Anwendung zur Wasserstoffproduktion ist jedoch aufgrund der langsamen Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER), einem wichtigen Bestandteil der Elektrolyse, und der hohen Beladung der Elektroden mit teuren Metalloxidkatalysatoren wie Iridium (Ir) und Rutheniumoxid begrenzt. Daher ist die Entwicklung kostengünstiger und leistungsstarker OER-Katalysatoren für die breite Anwendung von PEMWEs unerlässlich.

Kürzlich entwickelte ein koreanisch-amerikanisches Forschungsteam unter der Leitung von Professor Changho Park vom Gwangju Institute of Science and Technology (GIST) in Südkorea einen neuen, auf mesoporösem Tantaloxid (Ta₂O₅) basierenden, nanostrukturierten Iridium-Katalysator. Dieser wurde mittels einer verbesserten Ameisensäurereduktionsmethode hergestellt und ermöglicht die effiziente Elektrolyse von PEM-Wasser. Die Forschungsergebnisse wurden am 20. Mai 2023 online veröffentlicht und erscheinen am 15. August 2023 in Band 575 des „Journal of Power Sources“. Koautorin der Studie ist Dr. Chaekyong Baik, Forscherin am Korea Institute of Science and Technology (KIST).
„Die elektronenreiche Ir-Nanostruktur ist gleichmäßig auf einem stabilen mesoporösen Ta₂O₅-Substrat verteilt, das mittels der Weichtemplatenmethode in Kombination mit der Ethylendiamin-Umhüllung hergestellt wurde. Dadurch wird der Ir-Gehalt einer einzelnen PEMWE-Batterie effektiv auf 0,3 mg cm⁻² reduziert“, erklärte Professor Park. Hervorzuheben ist, dass das innovative Design des Ir/Ta₂O₅-Katalysators nicht nur die Ir-Ausnutzung verbessert, sondern auch eine höhere Leitfähigkeit und eine größere elektrochemisch aktive Oberfläche aufweist.
Zusätzlich zeigen Röntgenphotoelektronen- und Röntgenabsorptionsspektroskopie starke Metall-Träger-Wechselwirkungen zwischen Ir und Ta, während Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen einen Ladungstransfer von Ta zu Ir nahelegen. Dieser führt zu einer starken Bindung von Adsorbaten wie O und OH und erhält das Ir(III)-Verhältnis während der OOP-Oxidation aufrecht. Dies wiederum resultiert in einer erhöhten Aktivität von Ir/Ta₂O₅, das eine niedrigere Überspannung von 0,385 V im Vergleich zu 0,48 V für IrO₂ aufweist.
Das Team demonstrierte experimentell die hohe OER-Aktivität des Katalysators und beobachtete eine Überspannung von 288 ± 3,9 mV bei 10 mA cm⁻² sowie eine signifikant hohe Ir-Massenaktivität von 876,1 ± 125,1 A g⁻¹ bei 1,55 V im Vergleich zum entsprechenden Wert für Herrn Black. Tatsächlich weist Ir/Ta₂O₅ eine exzellente OER-Aktivität und -Stabilität auf, was durch mehr als 120 Stunden Einzelzellenbetrieb der Membran-Elektroden-Einheit weiter bestätigt wurde.
Das vorgeschlagene Verfahren bietet den doppelten Vorteil, die Last Ir zu reduzieren und die Effizienz der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) zu steigern. „Die erhöhte Effizienz der OER ergänzt die Kosteneffizienz des PEMWE-Verfahrens und verbessert somit dessen Gesamtleistung. Dieser Erfolg könnte die Kommerzialisierung von PEMWE revolutionieren und dessen Etablierung als gängiges Wasserstoffproduktionsverfahren beschleunigen“, so der optimistische Professor Park.

Insgesamt bringt uns diese Entwicklung der Verwirklichung nachhaltiger Wasserstoff-Energietransportlösungen und damit der Erreichung von Klimaneutralität näher.
Über das Gwangju Institute of Science and Technology (GIST): Das Gwangju Institute of Science and Technology (GIST) ist eine Forschungsuniversität in Gwangju, Südkorea. Gegründet 1993, zählt das GIST zu den renommiertesten Hochschulen Südkoreas. Die Universität engagiert sich für ein starkes Forschungsumfeld, das die Entwicklung von Wissenschaft und Technologie fördert und die Zusammenarbeit zwischen internationalen und nationalen Forschungsprojekten stärkt. Getreu dem Motto „Stolzer Gestalter der Wissenschaft und Technologie der Zukunft“ gehört das GIST regelmäßig zu den besten Universitäten Südkoreas.
Über den Autor: Dr. Changho Park ist seit August 2016 Professor am Gwangju Institute of Science and Technology (GIST). Vor seiner Tätigkeit am GIST war er Vizepräsident von Samsung SDI und erwarb einen Master-Abschluss bei Samsung Electronics SAIT. Seine Bachelor-, Master- und Doktortitel erhielt er 1990, 1992 bzw. 1995 vom Fachbereich Chemie des Korea Institute of Science and Technology. Seine aktuelle Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung katalytischer Materialien für Membran-Elektroden-Einheiten in Brennstoffzellen und die Elektrolyse unter Verwendung nanostrukturierter Kohlenstoff- und Mischmetalloxidträger. Er hat 126 wissenschaftliche Artikel veröffentlicht und 227 Patente in seinem Fachgebiet angemeldet.
Dr. Chaekyong Baik ist Wissenschaftler am Korea Institute of Science and Technology (KIST). Er beschäftigt sich mit der Entwicklung von PEMWE-OER- und MEA-Katalysatoren und konzentriert sich aktuell auf Katalysatoren und Geräte für Ammoniakoxidationsreaktionen. Bevor er 2023 zum KIST wechselte, promovierte Chaekyong Baik am Gwangju Institute of Science and Technology im Bereich Energieintegration.
Die mesoporöse Irid-Nanostruktur, die von elektronenreichem Ta2O5 unterstützt wird, kann die Aktivität und Stabilität der Sauerstoffentwicklungsreaktion erhöhen.
Die Autoren erklären, dass ihnen keine finanziellen oder persönlichen Interessenkonflikte bekannt sind, die die in diesem Artikel dargestellte Arbeit beeinflusst haben könnten.
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