Kürzlich hat das Team von Professorin EunAe Cho vom Department für Materialwissenschaft und -technik des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) einen Durchbruch bei der Schlüsselkatalysatortechnologie für Wasserstoff erzielt. Das Forschungsteam ersetzte innovativ herkömmliche partikelförmige Katalysatoren durch eine ultradünne Nanoblatt-Struktur, was den Einsatz von Edelmetallen deutlich reduziert und gleichzeitig die Leistung bei der Wasserelektrolyse zur Wasserstofferzeugung und der Stromerzeugung in Brennstoffzellen verbessert. Die zugehörigen Forschungsergebnisse wurden in den Fachzeitschriften „ACS Nano“ und „Nano Letters“ veröffentlicht.
Herkömmliche Katalysatoren liegen typischerweise in Partikelform vor, deren aktive Oberfläche begrenzt ist und deren Leistung bei langem Betrieb leicht nachlässt. Gleichzeitig sind die für Wasserstofferzeugungskatalysatoren üblichen Metalle wie Iridium (Ir) und das für Brennstoffzellenkatalysatoren benötigte Platin (Pt) seltene und teure Edelmetalle, deren hohe Kosten die Kommerzialisierung der Wasserstofftechnologie stark einschränken. Der Kernansatz des Teams von Professorin Cho bestand darin, dieses Problem durch strukturelle Innovationen anstelle der Suche nach neuen Materialien zu lösen. Ihnen gelang es, agglomerierte Katalysatorpartikel in eine papierartige, ultradünne und lateral ausgedehnte Nanoblatt-Struktur umzuwandeln, deren Dicke nur ein Zehntausendstel eines menschlichen Haares beträgt.
Im Bereich der Wasserstofferzeugung stellte das Team ultradünne Iridium-Nanoblätter mit einer lateralen Größe von 1-3 Mikrometern und einer Dicke von unter 2 Nanometern her. Diese Struktur vergrößert die für die Reaktion verfügbare aktive Oberfläche erheblich. Die Forschung zeigte, dass die Nanoblätter auf dem schlecht leitfähigen Trägermaterial Titandioxid (TiO₂) spontan ein leitfähiges Netzwerk bilden können, wodurch dieses kostengünstige Trägermaterial stabil genutzt und die Haltbarkeit verbessert wird. Tests ergaben, dass dieser Katalysator unter industriellen Hochlastbedingungen (1 A/cm²) eine um 38 % höhere Wasserstoffproduktionseffizienz als kommerzielle Katalysatoren aufweist und über 1000 Stunden stabil betrieben werden kann. Besonders wichtig ist, dass seine Leistung selbst bei einer um etwa 65 % reduzierten Iridiummenge der von kommerziellen Katalysatoren entspricht. Im Bereich der Brennstoffzellen erreichte der vom Team entwickelte Platin-Kupfer-Nanoblatt-Katalysator eine massenspezifische Aktivität, die das 13-fache kommerzieller Katalysatoren beträgt, die Gesamtzellenleistung verbesserte sich um etwa das 2,3-fache, und nach 50.000 beschleunigten Alterungstests konnte noch etwa 65 % der Leistung aufrechterhalten werden, wobei der Platinbedarf ebenfalls um etwa 60 % reduziert wurde.
Die in dieser Studie entwickelte neue Katalysatorarchitektur adressiert gleichzeitig die drei Schlüsselherausforderungen Effizienz, Haltbarkeit und Kosten. Professorin EunAe Cho wies darauf hin, dass dieses Ergebnis einen entscheidenden Wendepunkt für die Senkung der Wasserstoffkosten und die Beschleunigung des Kommerzialisierungsprozesses darstellt. Durch eine einfache strukturelle Innovation kann die Abhängigkeit von teuren, seltenen Metallen erheblich verringert und gleichzeitig die Geräteleistung gesteigert werden, was den Weg für die breite Anwendung der Wasserstofftechnologie ebnet.
Veröffentlichungsdetails: Autoren: Dongwon Shin et al., Titel: „Ultrathin Iridium Nanosheets on Titanium Oxide for Efficient and Durable Proton Exchange Membrane Water Electrolysis“, veröffentlicht in: „ACS Nano“ (2025). Zeitschrifteninfo: „ACS Nano“
Veröffentlichungsdetails: Autoren: SangJae Lee et al., Titel: „Ultrathin PtCu Nanosheets: A New Frontier for High-Performance and Durable Oxygen Reduction Reaction Catalysts“, veröffentlicht in: „Nano Letters“ (2025). Zeitschrifteninfo: „Nano Letters“
