18. Jul 2017

Die Forschenden Emiliana Fabbri und Thomas Schmidt in einem Labor am PSI, an dem sie die Leistungsfähigkeit des neuentwickelten Katalysators für Elektrolyseure untersucht haben. ©Bild: PSI/Mahir Dzambegovic

Nanopartikel eines Perowskits, die als effizienter Katalysator in einem Elektrolyseur eingesetzt werden können. Das kleine Bild zeigt eine Vergrösserung der Struktur. ©Bild: PSI/Emiliana Fabbri)

Struktur eines Perowskits. Die chemischen Symbole entsprechen dem Material, das als Katalysator am PSI untersucht wurde. Die roten Kugeln entsprechen Sauerstoffatomen. ©Grafik: Paul Scherrer Institut/Emiliana Fabbri

PSI: Neues Katalysator-Material für Elektrolyseure bewährt sich im Praxistest

Forschende des PSI haben ein neues Material entwickelt, das in Elektrolyseuren als Katalysator die Aufspaltung der Wassermoleküle, den ersten Schritt der Erzeugung von Wasserstoff, beschleunigt. Dieses soll sich zuverlässig in grossen Mengen herstellen lassen.


Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI haben ein neues Material entwickelt, das in Elektrolyseuren als Katalysator die Aufspaltung der Wassermoleküle, den ersten Schritt der Erzeugung von Wasserstoff, beschleunigt. „Es gibt heute zwei Typen von Elektrolyseuren auf dem Markt: Die einen sind effizient, aber teuer, weil deren Katalysatoren unter anderem Edelmetalle wie Iridium enthalten. Die anderen sind günstiger, aber weniger effizient“, erklärt Emiliana Fabbri, Forscherin am Paul Scherrer Institut. „Wir wollten einen effizienten Katalysator entwickeln, der zudem günstig ist, weil er ohne Edelmetalle auskommt.“

Bereits bekannter Perowskit
Dabei haben die Forschenden auf ein eigentlich schon bekanntes Material zurückgegriffen: eine komplexe Verbindung der Elemente Barium, Strontium, Kobalt, Eisen und Sauerstoff – ein sogenannter Perowskit. Sie haben aber als Erste ein Verfahren entwickelt, mit dem er sich in Form von winzigen Nanopartikeln erzeugen lässt. Nur so kann er effizient wirken, denn ein Katalysator benötigt eine möglichst hohe Oberfläche, an der viele reaktive Zentren die elektrochemische Reaktion beschleunigen. Macht man die einzelnen Partikel des Katalysators möglichst klein, addieren sich deren Oberflächen zu einer umso grösseren Gesamtoberfläche.

Für die Herstellung des Nanopulvers nutzten die Forschenden ein sogenanntes Flame-Spray-Gerät, das von der EMPA betrieben wird. In diesem Gerät werden die Bestandteile des Materials gemeinsam durch eine Flamme geschickt, vermischen sich dabei und erstarren schnell zu kleinen Partikeln, sobald sie die Flamme verlassen. „Die Herausforderung war, das Gerät so zu betreiben, dass die Atome der einzelnen Elemente zuverlässig in der richtigen Struktur zusammenfinden“, betont Fabbri. „Zusätzlich konnten wir noch den Sauerstoffgehalt gezielt variieren und so verschiedene Varianten des Materials erzeugen.“

Im Praxistest erfolgreich
Die Forschenden haben gezeigt, dass ihre Entwicklungen nicht nur im Laborversuch funktionieren, sondern auch wirklich praxistauglich sind. So liefert das vorgestellte Herstellungsverfahren grosse Mengen des Katalysatorpulvers und dürfte sich leicht in den industriellen Massstab erweitern lassen. Daher testeten die Forschenden den Katalysator in Kooperation mit einem amerikanischen Hersteller von Elektrolyseuren und konnten dabei zeigen, dass das Gerät mit dem neuen Perowskit der PSI-Forscher zuverlässiger arbeitete als mit einem konventionellen Iridium-Oxid-Katalysator.

In Tausendstelsekunden untersucht
Darüber hinaus konnten die Forschenden auch genau untersuchen und nachvollziehen, was in dem neuen Material passiert, wenn es aktiv ist. Dafür durchleuchteten sie es mit Röntgenlicht an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI. Hier steht für die Forschenden ein weltweit einzigartiger Messplatz zur Verfügung, an dem sich der Zustand eines Materials in Zeiträumen von 200 Tausendstelsekunden untersuchen lässt. „So können wir verfolgen, wie sich der Katalysator während der katalytischen Reaktion verändert: Wir sehen, wie sich die elektronischen Eigenschaften oder die Anordnung der Atome ändern“, so Fabbri. „An anderen Anlagen dauert eine einzelne Messung rund 15 Minuten, sodass man dort höchstens ein gemitteltes Bild bekommt.“ Ein Ergebnis dieser Messungen ist, dass sich die Struktur an der Oberfläche der Partikel im Betrieb verändert – das Material wird zum Teil amorph, die Atome sind also in einzelnen Bereichen nicht mehr regelmässig angeordnet. Das Unerwartete an dem Ergebnis ist, dass das Material dadurch zu einem besseren Katalysator wird.

Text: ee-news.ch, Quelle: Paul Scherrer Institut/Paul Piwnicki

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