Billiger Wasserstoff

Wasserstoff-Gewinnung ist bislang energieaufwändig und daher teuer. Das veranlasste US-Wissenschaftler um Brandon Wood und Yuanyue Liu der kalifornischen Ex-Waffenschmiede Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), auf Materialien aus der Gruppe der Übergangsmetall-Dichalkogenide (MX2) zu setzen. Sie entwickelten einen kostengünstigen Katalysator, der die Effektivität der Elektrolyse drastisch verbessert und verbilligt. Denn die bisher gebräuchlichen Katalysatoren mit Edelmetallen und sind auf Dauer zu teuer. Ein Artikel in nature energy.

Wasserstoffgasblasen entwickeln sich aus Wasser an Tantaldisulfid-Elektrokatalysatoroberflächen. Die katalytische Aktivität in derartigen Schichtmetall-Dichalkogeniden ist in der Regel auf Kanten beschränkt, aber diese Arbeit berichtet über neue Materialien, die auch Wasserstoff an den Oberflächen erzeugen können. – Foto © Ryan Chen / LLNL

Abstract des Artikels in nature energy: „Billige, geschichtete Übergangsmetall-Dichalkogenide (MX2) auf Basis von Molybdän und Wolfram sind als alternative Katalysatoren für die Wasserstoff-Evolution-Reaktion (HER) in den Mittelpunkt des Interesse gerückt. Diese Materialien haben eine hohe intrinsische pro-site-HER-Aktivität; Eine wesentliche Herausforderung ist jedoch die begrenzte Dichte der aktiven Stellen, die an den Schichtkanten konzentriert sind.
Hier entschlüsseln wir die elektronischen Faktoren, die der katalytischen Aktivität auf MX2-Oberflächen zugrunde liegen, und nutzen das Verständnis, um über Group-5 MX2(H-TaS2 und H-NbS2)-Elektrokatalysatoren zu berichten, deren Leistung stattdessen hauptsächlich von hochaktiven Basalflächen-Standorten abhängt, wie von unseren ersten vorgeschlagen Berechnungen und Leistungsvergleichen mit kantenaktiven Gegenstücken. Über die hohe katalytische Aktivität hinaus zeigten sie eine ungewöhnliche Fähigkeit, ihre Morphologie für einen verbesserten Ladungstransfer und bessere Zugänglichkeit von aktiven Standorten zu optimieren, da die ER fortschreitet und einen praktischen Vorteil für eine skalierbare Verarbeitung bietet. Die Katalysatoren erreichen 10 mA cm-2 Stromdichte bei einem Überpotential von ~ 50-60 mV mit einer Belastung von 10-55 ?g cm-2 und übertreffen andere gemeldete MX2-Kandidaten ohne leistungsverbessernde Additive.]

Mit Quantenmechanik zum Ziel

Die Wissenschaftler um Wood und Liu setzen – wie gesagt – auf die Gruppe der Übergangsmetall-Dichalkogenide (MX2). Bislang kommen MX2-Materialien auf Basis von Wolfram und Molybdän zum Einsatz, die jedoch einen entscheidenden Nachteil haben: Katalytisch wirksam sind nur die exponierten Stellen an der Oberfläche, also nur ein kleiner Teil des gesamten Katalysators. Das Team versuchte deshalb, die grundlegenden elektronischen Faktoren zu entschlüsseln, die verhindern, dass auch das Innere des porösen Materials katalytisch aktiv ist. Dieses Wissen nutzten sie, um am Computer MX2 zu entwickeln – effektiver als das konventionelle.

Auf der Basis der Berechnungen am LLNL experimentierten Forscher der Rice University  in Houston mit den alternativen MX2-Materialien Tantal- und Niob-Disulfid. Mit einer geringen Menge an Katalysatormaterial lasse sich eine hohe Wirkung erzielen, lobt Wood seine Kollegen. „Das ist ein großer Vorteil für die großtechnische Nutzung des Prozesses, weil es überflüssig ist, aufwändige Techniken einzusetzen, wie etwa die Nanostrukturierung von Materialien“, so Wood.

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