Sauerstoffentwicklung erleichtern

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Elektrode aus kostengünstigen erdreichen Metallen mit Potenzial für Herstellung von grünem Kraftstoff

Ein Metallschaum könnte die Grundlage für eine kostengünstige Methode zur Erzeugung kohlenstofffreier Kraftstoffe bilden. Forscher der König-Abdullah-Universität für Wissenschaft und Technologie (KAUST) in Thuwal bei Mekka haben eine kostengünstige Elektrode entwickelt, die Wassermoleküle spalten kann, wobei an der Anode Sauerstoff und an der Kathode Wasserstoff freigesetzt wird. Das Ergebnis wurde am 04.03.2022 in Cell Reports Physical Science veröffentlicht.

Metallschaum als kostengünstige Methode zur Erzeugung kohlenstofffreier Brennstoffe – Grafik – © KAUST

Das Team beschichtete Metallschaum nahtlos mit Eisen- und Kobalt-Nanomaterialien, um eine hochaktive Elektrode für ein Gerät zu schaffen, das Wassermoleküle spaltet, um Sauerstoff und Wasserstoff freizusetzen, einen potenziellen grünen Kraftstoff.

Da die Stromerzeugung aus Wind- und Sonnenenergie nur unregelmäßig erfolgt, müssen Methoden entwickelt werden, um erneuerbaren Strom in einen kohlenstofffreien Brennstoff umzuwandeln, der für eine spätere Verwendung gespeichert und transportiert werden kann. „Die elektrochemische Wasserspaltung gilt als pragmatischer Weg, um dieses Ziel zu erreichen“, sagt Pravin Babar, Postdoc im Labor von Cafer Yavuz, der die Forschung leitete. Ein elektrochemisches Gerät kann erneuerbare Elektrizität nutzen, um Wassermoleküle aufzuspalten, wobei an der Anode Sauerstoff und an der Kathode Wasserstoff freigesetzt werden.

Bestehende Hochleistungsgeräte zur Wasserspaltung sind auf Elektroden aus seltenen und teuren Metallen angewiesen, was ihre breite Einführung und Nutzung einschränkt. „Unsere Motivation ist es, die auf Edelmetallen basierende Anode in Wasserspaltungssystemen zu ersetzen, die Kosten zu senken und eine bequeme Massenproduktion zu fördern, ohne Kompromisse bei der Leistung einzugehen“, sagt Babar. „Wir haben eine Strategie für die Grenzflächentechnik entwickelt, bei der kostengünstigere Materialien zum Einsatz kommen, die fast die gleiche Leistung erbringen wie herkömmliche Anoden auf Edelmetallbasis.“

Mithilfe eines einfachen, schnellen und skalierbaren nasschemischen Ansatzes ließ das Team zweidimensionale Kobalteisenhydroxid (CoFe-OH)-Nanoblätter auf Nickelschaumsubstraten wachsen und trug dann Eisenoxid (FeOOH)-Nanopartikel auf die Oberfläche auf. Durch die Abscheidung von Nanomaterialien zur Gestaltung der Grenzfläche zwischen der Elektrode und dem Wasser schuf das Team ein Material, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit mit einer großen Oberfläche mit vielen aktiven Stellen für die Produktion von molekularem Sauerstoff (O2) kombiniert. Das Material erwies sich auch als robust, da nach 50 Stunden Dauerbetrieb kein Leistungsabfall festgestellt wurde.

„Aufgrund seiner bemerkenswerten Sauerstoffentwicklungsleistung, Kinetik und Langzeitstabilität bei hoher Stromdichte im Vergleich zu anderen kürzlich berichteten Katalysatoren ist unser Material der am besten geeignete Kandidat für eine kostengünstige Elektrode für die Sauerstoffentwicklungsreaktion“, sagt Babar.

Die synergistischen Leistungssteigerungen, die durch die nahtlose Kombination von Nanomaterialien in einem einzigen Elektrodenmaterial erzielt wurden, waren eine angenehme Überraschung, so Yavuz. „Dies ist unser erster Vorstoß im Bereich erneuerbarer Wasserstoff aus der Wasserelektrolyse“, sagt er. „Unser Ziel ist es, ein nachhaltiges System für die gesamte Wasserspaltung zu entwickeln, nicht nur für die Reaktion der Sauerstoffentwicklung“, fügt er hinzu. „Wir sind sehr erfreut, dass unsere Entwürfe funktionieren und erwarten, dass wir in einigen Jahren einen funktionierenden Prototyp haben werden.

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