Deutsch-amerikanische Kooperation zur Produktion grünen Wasserstoffs

U.S. National Science Foundation und Deutsche Forschungsgemeinschaft bündeln Kräfte

Im Rahmen eines neuen Förderprogramms haben die U.S. National Science Foundation und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) ihre Kräfte gebündelt, um der University of Illinois Urbana-Champaign und der Technischen Universität Darmstadt einen dreijährigen Forschungszuschuss in Höhe von 720.000 Dollar (500.000 Dollar von der NSF) zu gewähren, um Möglichkeiten zur effizienteren Herstellung von grünem Wasserstoff zu erforschen – schreibt Claire Benjamin am 26.07.2021 auf der Webseite der Universität.

Grüner Wasserstoff wächst langsam auf – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Dieses Projekt ist eines der ersten, das von der NSF-DFG Lead Agency Activity in Electrosynthesis and Electrocatalysis (NSF-DFG EChem) unterstützt wird. Dabei handelt es sich um ein internationales Projekt zur Förderung der Zusammenarbeit zwischen US-amerikanischen Forschern und ihren deutschen Kollegen bei ingenieurwissenschaftlichen Projekten für neuartige und grundlegende elektrochemische Reaktionen und Studien. Das neue Projekt umfasst ein multidisziplinäres Team, bestehend aus den Professoren Hong Yang und Nicola Perry von der UIUC und Professor Andreas Klein von der TU Darmstadt.

“Unsere Gesellschaft macht große Fortschritte auf dem Weg in eine Zukunft, die von erneuerbaren Energiequellen angetrieben wird”, sagte der Leiter des Projekts, Hong Yang, Professor für Chemie und Biomolekulartechnik am Alkire-Lehrstuhl und außerordentlicher Professor für Chemie an der UIUC. “Grüner Wasserstoff kann als Treibstoff für Autos und Sattelschlepper oder als chemische Grundstoffe für die industrielle Fertigung verwendet werden – aber es gibt noch viel zu tun, um sicherzustellen, dass die Produktion von grünem Wasserstoff rentabel und skalierbar ist.”

Grüner Wasserstoff wird durch die Aufspaltung von Wassermolekülen mit einem Elektrolyseur hergestellt, der elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen nutzt – doch dieser Prozess erfordert derzeit viel Energie und ist noch nicht kosteneffizient.

Dieses neu finanzierte Forschungsprojekt zielt darauf ab, die Effizienz und Stabilität der Elektrolyse für die Wasserspaltung zu erhöhen, indem die Ingenieurwissenschaft neuer Klassen von Elektrokatalysatoren wie Pyrochloren verstanden wird. Die Einheitszelle eines Pyrochlor-Elektrokatalysators ist die kleinste sich wiederholende Einheit von Atomen, aus denen der Katalysator besteht.

Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen. Das Forschungsteam wird modernste Techniken einsetzen, um ihre komplexen Oberflächen- und Volumenstrukturen aufzudecken, die die Katalysatorleistung und die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen. Ihr Ziel ist es, die spezifische Chemie – bis hin zur atomaren Ebene – zu ermitteln, die die reaktivsten und stabilsten Elektrokatalysatoren für die Wasserspaltung hervorbringt. Letztlich werden bessere Katalysatoren benötigt, um den Stromverbrauch zu senken und die Stabilitätsanforderungen für die Herstellung von grünem Wasserstoff zu geringeren Kosten zu erfüllen.

“Unser Team bringt verschiedene Methoden und Disziplinen zusammen, die in ihrer Kombination das Potenzial haben, einzigartige Erkenntnisse für die Entwicklung praktischer grüner Wasserstoffkatalysatoren zu liefern”, so Nicola Perry, Professorin für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der UIUC und Mitverantwortliche für das Projekt. “Dieses interdisziplinäre und international zusammenarbeitende Umfeld wird auch einen reichhaltigen, prägenden Kontext für die Ausbildung von Forschern bieten.”

Perry wird das Wachstum von Dünnschichtkatalysatoren leiten, die als Modellplattform für grundlegende Erkenntnisse dienen. Sie wird auch die Analyse der Defektchemie beaufsichtigen, d. h. die Untersuchung von Populationen aktiver Anomalien im atomaren Maßstab unter dynamischen Betriebsbedingungen und deren Auswirkungen auf die Katalysatorleistung. Perry und Yang sind auch Mitglieder des Materials Research Lab, in dem ein Teil dieser Arbeit stattfinden wird.

Andreas Klein, Professor für Material- und Geowissenschaften an der TU Darmstadt, wird einen neuen Rahmen für die Untersuchung der Oberflächenstrukturen mit Hilfe der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) unter realistischen Bedingungen entwickeln. “Es wird erwartet, dass Wasserstoff eine wichtige Rolle für die kohlenstoffneutrale Technologie spielen wird”, sagt Yang. “Ich freue mich darauf, an der Entwicklung nachhaltiger Technologien zur Herstellung von grünem Wasserstoff mitzuwirken, der als Kraftstoff für Autos und eines Tages auch für unsere Gesellschaft insgesamt dienen kann.”

->Quelle: matse.illinois.edu/news/40549