Das Forschungsteam von Dr. Han Ji-hyung am Korea Institute of Energy (KIE) hat die erfolgreiche Entwicklung einer Hochleistungselektrode auf Kohlenstoffgewebebasis bekannt gegeben – ein bedeutender Durchbruch in der Wasserstoffproduktion durch Meerwasserelektrolyse. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Applied Surface Science veröffentlicht.

Die Wasserelektrolyse, eine umweltfreundliche Technologie zur Wasserstofferzeugung, basiert größtenteils auf Süßwasser. Aufgrund der weltweiten Wasserknappheit gewinnt die Meerwasserelektrolyse, bei der Meerwasser direkt genutzt wird, jedoch zunehmend an Bedeutung. Leistung und Lebensdauer von Meerwasserelektrolysesystemen hängen entscheidend von den in den Elektroden verwendeten Katalysatoren und den Elektrodenträgern ab, die die Katalysatoren gleichmäßig verteilen. Traditionell werden häufig Edelmetallkatalysatoren wie Platin und Ruthenium verwendet. Aufgrund ihrer hohen Kosten konzentriert sich die Forschung in jüngster Zeit jedoch auf Katalysatoren aus Nichtedelmetallen oder auf Methoden, die den Einsatz von Edelmetallen reduzieren. Darüber hinaus sind Elektrodenträger auf Metallbasis anfällig für Chloridionenkorrosion, was ihre Lebensdauer begrenzt. Kohlenstoffgewebe ist aufgrund seiner hervorragenden Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Flexibilität und Kosteneffizienz eine ideale Wahl für Elektrodenträger.

Die Kommerzialisierung bestehender Katalysatoren auf Kohlenstoffgewebebasis ist jedoch mit zahlreichen Herausforderungen verbunden. Sie leiden unter Leistungseinbußen und Strukturschäden während des Betriebs bei den für industrielle Anwendungen erforderlichen hohen Strömen (über 500 mA/cm²) und bei einer Langzeitnutzung von über 100 Stunden.

Dem Forschungsteam von Dr. Han Zhiheng gelang es, durch Optimierung des Säurebehandlungsprozesses eine Elektrode auf Kohlenstoffgewebebasis zu entwickeln, die die Einschränkungen herkömmlicher Elektroden effektiv überwand. Die neue Elektrode reduzierte die angelegte Überspannung um 25 % und steigerte die Effizienz der Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) im Vergleich zu bestehenden Elektroden um das 1,3-Fache.

Bei der Säurebehandlung konzentrierte sich das Team auf die wichtigsten Aspekte. Bei der Säurebehandlung wird das Kohlenstoffgewebe eine Stunde lang in einer hochkonzentrierten Salpetersäurelösung bei 100 °C eingeweicht. Die dabei verdampfende Säure führt jedoch zu Konzentrationsschwankungen. Zu diesem Zweck entwickelte das Forschungsteam einen speziellen Säurebehandlungsbehälter, um Konzentrationsschwankungen vorzubeugen, und optimierte erfolgreich die Oberflächenbehandlung des Kohlenstoffgewebeträgers. Der säurebehandelte Kohlenstoffgewebeträger weist eine hohe Hydrophilie auf, die die gleichmäßige Verteilung von Kobalt-, Molybdän- und Rutheniumionen auf seiner Oberfläche fördert. Insbesondere das Edelmetall Ruthenium kann selbst in sehr geringen Mengen gleichmäßig im Träger verteilt werden, wodurch eine hervorragende elektrochemische Leistung erzielt wird. Die Ergebnisse zeigen, dass, obwohl der Rutheniumgehalt im mit Ruthenium dotierten Kobalt-Molybdän-Katalysator (CoMo) nur etwa 1 % (nach Gewicht) beträgt, das Überpotential im Vergleich zum herkömmlichen Kobalt-Molybdän-Katalysator (CoMo) um etwa 25 % reduziert ist und die Effizienz der Wasserstoffentwicklungsreaktion bei gleicher Stromdichte um etwa das 1,3-fache erhöht ist.

Bemerkenswert ist die hervorragende und stabile Leistung der Elektrode. Nach über 800 Stunden Dauerbetrieb bei einem hohen Strom von 500 mA/cm² behielt die katalysatorbeschichtete Elektrode ihre ursprüngliche Leistung. Eine Analyse der Elektrode nach dem Betrieb ergab keine Infiltration von Metallionen wie Ruthenium und Kobalt in den Elektrolyten, was ihre ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und strukturelle Stabilität belegt. Darüber hinaus gelang es dem Forschungsteam, eine großflächige Elektrode mit 25 cm² zu synthetisieren, die eine gute Skalierbarkeit und praktisches Anwendungspotenzial aufweist.

Dr. KIER Han erklärte: „Diese Technologie ist die weltweit erste, die mit Kohlenstoffgewebeelektroden bei der Meerwasserelektrolyse einen Langzeitbetrieb von über einem Monat unter Hochstrombedingungen im industriellen Maßstab erreicht. Wir planen, diese Technologie durch erweiterte Haltbarkeitstests von über 1.000 Stunden und die Skalierung auf großflächige Zellmodule und Zellstapel bis zur Demonstrationsstufe weiterzuentwickeln.“

Weitere Informationen: Hyunji Eom et al., „Ru-modifizierter CoMoO x -Katalysator auf Kohlenstoffgewebe für eine effiziente Wasserstoffentwicklungsreaktion bei der alkalischen Meerwasserelektrolyse mit hoher Stromdichte“, Applied Surface Science (2025).