Grüner Wasserstoff: Durchbruch bei alkalischen Membran-Elektrolyseuren

Forschungsteam entwickelt hocheffizienten und sehr preisgünstigen AEM-Elektrolyseur

Die AEM Wasserelektrolyseur-Zelle arbeitet mit einer neu entwickelten Membranelektrodeneinheit (MEA), die mit einem schichtstrukturierten Nickel-basierten Anodenkatalysator direkt beschichtet ist. Seine molekulare Wirkungsweise wurde aufgeklärt, und die AEM-Zelle hat sich als nahezu ebenso leistungsstark wie eine konventionelle PEM-Zelle mit Iridium-Katalysator erwiesen. © Flo Force Fotografie, Hahn-Schickard & IMTEK Universität Freiburg

Einem Team aus Technischer Universität Berlin, HZB, IMTEK (Uni Freiburg) und Siemens Energy ist es gelungen, einen hocheffizienten alkalischen Membran-Elektrolyseur zu entwickeln, der an die Leistung von etablierten PEM-Elektrolyseuren heranreicht. Das Besondere: Der Anodenkatalysator besteht dabei aus preisgünstigen Nickelverbindungen und nicht aus dem teuren und seltenen Iridium. An BESSY II konnte das Team die katalytischen Prozesse durch operando-Messungen im Detail aufklären, ein Theorie-Team (USA, Singapur) lieferte eine konsistente molekulare Beschreibung. In Freiburg wurden mit einem neuen Beschichtungsverfahren Prototyp-Zellen gebaut und im Betrieb getestet. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachjournal Nature Catalysis publiziert.

Wasserstoff soll im Energiesystem der Zukunft eine große Rolle spielen, als Energiespeicher, Brennstoff und wertvoller Rohstoff für die Chemie-Industrie. Denn Wasserstoff lässt sich nahezu klimaneutral durch Elektrolyse von Wasser erzeugen, sofern diese mit Strom aus Sonne oder Wind geschieht. Der Hochlauf der grünen Wasserstoffwirtschaft wird aktuell maßgeblich von zwei Systemen bestimmt: der protonenleitenden Membranelektrolyse (PEM) und der klassischen alkalischen Elektrolyse. AEM-Elektrolyseure kombinieren die Vorteile beider Systeme und benötigen beispielsweise keine seltenen Edelmetalle wie Iridium.

Alkalische Membran (AEM) Elektrolyseure ohne Iridium

Nun haben Forschungsteams aus TU Berlin und HZB gemeinsam mit dem Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Uni Freiburg und Siemens Energy erstmals einen Elektrolyseur vorgestellt, der fast genauso effizient Wasserstoff produziert wie ein PEM-Elektrolyseur. Statt auf Iridium setzten sie auf Nickel-Doppelhydroxidverbindungen mit Eisen, Kobalt oder Mangan und entwickelten ein Verfahren, um eine alkalische Ionenaustauschmembran damit direkt zu beschichten.

Einblick in Molekulare Prozesse während der Elektrolyse an BESSY II

Während der Elektrolyse in der Zelle konnten sie operando-Messungen an der Berliner Röntgenquelle BESSY II an der LIXEdrom Endstation durchführen. Ein Theorie-Team aus Singapur und USA half dabei, die experimentellen Daten zu interpretieren. „Dadurch gelang es uns, die relevanten katalytisch-chemischen Prozesse an der katalysatorbeschichteten Membran aufzuklären, insbesondere den Phasenübergang von einer katalytisch inaktiven Alpha-Phase zur hochaktiven Gamma-Phase und die Rolle, welche die verschiedenen O-Liganden und Ni⁴⁺-Zentren bei der Katalyse spielen“, erklärt Prof. Peter Strasser, TU Berlin. „Erst diese Gamma-Phase macht unseren Katalysator konkurrenzfähig mit den aktuellen state-of-the-art Katalysatoren aus Iridium. Unsere Arbeit zeigt wichtige Gemeinsamkeiten zu Iridium im katalytischen Mechanismus, aber auch völlig überraschende molekulare Unterschiede.“

Die Untersuchung hat damit das Verständnis der fundamentalen Katalyse-Mechanismen der neuen Nickel-basierten Elektrodenmaterialien signifikant erweitert. Außerdem verspricht das neu entwickelte Beschichtungsverfahren der Membranelektrode eine sehr gute Skalierbarkeit. Eine erste vollfunktionsfähige Kleinzelle wurde am IMTEK bereits getestet. Damit legen die Arbeiten die Grundlage für eine industrielle Evaluierung und demonstrieren, dass auch ein AEM-Wasserelektrolyseur hocheffizient sein kann.

Publikation:

High-performance anion-exchange membrane water electrolyzers using NiX (X = Fe,Co,Mn) catalyst-coated membranes with redox-active Ni–O ligands
M. Klingenhof, H. Trzesniowski S. Koch, J. Zhu, Z. Zeng, L. Metzler, A. Klinger, M. Elshamy, F. Lehmann, P. W. Buchheister, A. Weisser, G. Schmid, S. Vierrath, F. Dionigi & P. Strasser
DOI: 10.1038/s41929-024-01238-w

Kontakt:

Prof. Dr. Peter Strasser
Institut für Chemie, TU Berlin
+49 30 314 29542
pstrasser(at)tu-berlin.de

Dr. Antonia Rötger
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
Pressestelle
+49 30 8062-43733
antonia.roetger(at)helmholtz-berlin.de

Pressemitteilung HZB vom 28.10.2024