Kupferschicht steigert Aktivität von Platinelektroden
„Es wäre ein großer Schritt in Richtung klimaschonender Energieumwandlung, wenn wir Wasserstoff stattdessen mittels Elektrolyse gewinnen würden“, sagt Wolfgang Schuhmann vom Zentrum für Elektrochemie der RUB. „Dafür könnten wir den Überschussstrom zum Beispiel aus der Windkraft nutzen.“ Bislang waren aber die Elektroden für die Elektrolyse aber nicht leistungsstark genug; daher lohnte sich eine großflächige Anwendung nicht.
Herkömmliche Elektroden binden Zwischenprodukte zu stark
Elektroden für die Wasserelektrolyse enthalten üblicherweise Platin als Katalysator, um die Umsetzung von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff zu beschleunigen. Damit die Reaktion möglichst effizient abläuft, dürfen Zwischenprodukte weder zu stark noch zu schwach an der Katalysatoroberfläche haften.
Das Team brachte nun eine dünne Kupferschicht unter der obersten Lage der Platinatome ein. Dadurch hafteten die Zwischenprodukte der Reaktion etwas weniger stark an der Elektrode – und das reichte aus, um die Effizienz zu verdoppeln. Ein nützlicher Nebeneffekt: Mit der Kupferschicht waren die Elektroden auch langlebiger, zum Beispiel widerstandsfähiger gegen Korrosion.
Das Team um Prof. Aliaksandr Bandarenka vom Münchener Lehrstuhl für Physik der Energieumwandlung und -speicherung und Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom Bochumer Zentrum für Elektrochemie berechnete, wie stark die Zwischenprodukte an den Elektroden haften sollten, um eine möglichst effiziente Reaktion zu erlauben. Die Analyse hatte ergeben, dass herkömmlichen Elektroden aus Platin, Rhodium und Palladium die Zwischenprodukte etwas zu stark binden.
Mit der durch eine Schicht aus Kupferatomen modifizierten Platin-Katalysatoroberfläche erzeugte das System zwar doppelt so viel Wasserstoff wie mit einer reinen Platinelektrode – aber nur, wenn die Forscher die Kupferschicht direkt unter der obersten Lage der Platinatome einbrachten.
Förderung
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft förderte die Arbeiten im Rahmen der Exzellenzcluster Resolv(EXC 1069) und Nanosystems Initiative Munich (NIM). Weitere Unterstützung kam von der Helmholtz-Energie-Allianz „Stationäre elektrochemische Speicher und Wandler“ (HA-E-0002).
->Quellen:
- Originalveröffentlichung: J. Tymoczko, F. Calle-Vallejo, W. Schuhmann, A. S. Bandarenka (2016): Making the hydrogen evolution reaction in polymer electrolyte membrane electrolyzers even faster, Nature Communications, DOI: 10.1038/NCOMMS10990
- ruhr-uni-bochum.de/pm00033
- tum.de/pressemitteilungen
- casc.lic.leidenuniv.nlcalle-vallejo