Ein Forschungsteam der Columbia University School of Engineering entwickelt ein neuartiges Elektrolyseurmembranmaterial als Ersatz für herkömmliche Nafion-Membranen. Diese Technologie soll die Umweltbelastung durch die Wasserelektrolyse zur Wasserstofferzeugung deutlich reduzieren. Die Kooperationsforschung mit Nel Hydrogen und Forge Nano zielt darauf ab, bestehende Materialien durch Oxidschichten zu ersetzen, die frei von per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen (PFAS) sind. Dadurch sollen bis zu 99 % der permanenten Chemikalien im Elektrolyseur eliminiert werden.

Das Forschungsteam nutzte die Atomlagenabscheidung (ALD), um einen dichten Oxidfilm mit einer Dicke von weniger als einem Mikrometer herzustellen – hunderte Male dünner als herkömmliche Nafion-Filme. Professor Dan Esposito, der Projektleiter, erklärte: „Die Membran ist die Kernkomponente des Elektrolyseurs; sie ermöglicht den Protonentransport und trennt gleichzeitig Wasserstoff und Sauerstoff. Versagt die Membran, ist das System funktionsunfähig und könnte sogar gefährlich werden.“ Obwohl diese neuartige Elektrolyseurmembran aus Siliziumdioxid besteht, einem Material mit geringer Leitfähigkeit, ermöglicht ihre ultradünne Beschaffenheit einen spezifischen Widerstand, der mit dem handelsüblicher Membranen vergleichbar ist.

Um die technische Herausforderung von Defekten in ultradünnen Filmen zu bewältigen, entwickelte das Team ein elektrochemisches Versiegelungsverfahren mit gepulster Spannung. Esposito erklärte: „Wir entdeckten, dass gepulste Energie anstelle eines kontinuierlichen Stroms angelegt werden muss. Die Verwendung eines kontinuierlichen Stroms verändert den pH-Wert an verschiedenen Stellen, was letztendlich zu Ablagerungen auf der Vorderseite der Membran führt.“ Labortests zeigten, dass die optimierte neue Elektrolyseurmembran eine 100-mal geringere Wasserstoffdurchlässigkeit als Nafion-Membranen aufwies und damit eine hervorragende Sicherheitsleistung demonstrierte.

Aktuell befindet sich diese Elektrolyseurmembran-Technologie im Übergang von zentimetergroßen Labormustern zu Prototypen in kommerzieller Qualität. Das Forschungsteam arbeitet bereits mit Industriepartnern zusammen, um die Produktion im großen Maßstab voranzutreiben. Angesichts der stetig steigenden globalen Nachfrage nach grünem Wasserstoff bietet diese innovative Elektrolyseurmembran-Technologie vielversprechende Möglichkeiten für eine umweltfreundlichere Materiallösung zur nachhaltigen Wasserstoffproduktion.

Weitere Informationen: Nanoplugs blockieren die Wasserstoffpermeation in submikrometerdicken protonenleitenden Silicamembranen für die Wasserelektrolyse, ACS Nano (2025). Zeitschrifteninformationen: ACS Nano