Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Professor Zhou Zhenrong von der Universität Hongkong hat erfolgreich einen neuartigen Katalysator entwickelt, der eine zentrale technische Herausforderung bei der großtechnischen Produktion von grünem Wasserstoff lösen soll. Diese Innovation ermöglicht eine effiziente und stabile Sauerstoffproduktion selbst in dem stark sauren Milieu, das für gängige Protonenaustauschmembran-Elektrolyseure erforderlich ist, und verbessert so die Effizienz des gesamten Wasserstoffproduktionsprozesses.
Das Forschungsteam wurde von Dr. Lin Ci, Doktorandin am Institut für Maschinenbau der Universität Hongkong, geleitet. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift *ACS Energy Letters* veröffentlicht. Grüner Wasserstoff gilt als wichtiger sauberer Kraftstoff zur Dekarbonisierung verschiedener emissionsintensiver Branchen, darunter Stahl, Chemie und Transport. Protonenaustauschmembran-Elektrolyseure sind aufgrund ihrer kompakten Bauweise und schnellen Reaktionszeit beliebt, ihr Betrieb unter stark sauren Bedingungen stellt jedoch extrem hohe Anforderungen an den Katalysator, der für die Sauerstoffentwicklungsreaktion verantwortlich ist. Die derzeit verwendeten Katalysatoren basieren auf seltenen und wertvollen Metallen wie Iridium, die teuer sind. Andere alternative Materialien weisen oft eine geringe Haltbarkeit auf, was die großtechnische und kommerzielle Anwendung von grünem Wasserstoff behindert.
Das Forschungsteam hat einen neuartigen Kompositkatalysator als Lösung vorgeschlagen. Dieser Katalysator besteht aus einzelnen Rutheniumatomen, die auf Manganoxybromid-Mikropartikeln dispergiert sind. Während der Elektrolyse erfährt die Katalysatoroberfläche spontan eine „dynamische Rekonstruktion“ und bildet eine extrem dünne Schutzschicht. Dieser Schutzfilm schützt, ähnlich einer Haut, die Kernstruktur des Katalysators effektiv vor Korrosion durch das stark saure Milieu und erhält gleichzeitig dessen hohe katalytische Aktivität aufrecht. Dadurch wird eine langfristige, stabile und effiziente Sauerstoffproduktion ermöglicht.
Mithilfe fortschrittlicher Charakterisierungstechniken und Computersimulationen konnten die Forscher bestätigen, dass diese selbstbildende Schutzschicht die chemische Reaktion in eine effizientere und sicherere Richtung lenkt. Sie fördert die direkte Sauerstofferzeugung aus Wasser und unterdrückt gleichzeitig Nebenreaktionen, die die Katalysatorstruktur schädigen könnten. Labortestdaten zeigen, dass der Katalysator lediglich eine Spannungserhöhung von 208,3 mV benötigt, um die typische Betriebsstromdichte bei der Initiierung der Wasserstoffproduktionsreaktion zu erreichen. Unter Standardbedingungen arbeitet er über 1400 Stunden stabil ohne signifikanten Leistungsabfall und auch bei hohen Stromdichten über 200 Stunden stabil.
Professor Zhou Zhenrong kommentierte: „Diese Methode kann die Entwicklung von sauberem Wasserstoff der nächsten Generation und anderen elektrochemischen Prozessmaterialien vorantreiben und die Anwendung grüner Energielösungen in Branchen wie Schifffahrt, Luftfahrt, Stromnetzen und der Langzeitspeicherung von Energie beschleunigen.“ Diese Forschung demonstriert nicht nur einen Katalysator mit hoher Effizienz, langer Lebensdauer und geringem Rutheniumverbrauch in sauren Medien, sondern liefert auch neue Designansätze für zukünftige langlebige Katalysatoren, die sich durch einen Selbstrekonfigurationsmechanismus selbst schützen.
Weitere Informationen: Autoren: Ci Lin et al., Titel: „Regulating the oxygen evolution mechanism by in-situ reconfiguration of Ru-modified manganese oxybromide“, veröffentlicht in: ACS Energy Letters (2025). Zeitschrifteninformationen: ACS Energy Letters
