Die Erzeugung von sauberem Wasserstoff aus Wasser gilt als ein wichtiger Weg, um erneuerbare Energie in chemische Energie umzuwandeln. Die Steigerung der Effizienz dieses Prozesses bleibt jedoch eine wissenschaftliche Herausforderung. Forscher der Tohoku-Universität in Japan haben ein neuartiges Katalysatordesign entwickelt, das unter alkalischen Bedingungen die Wasserstofferzeugung reibungsloser fördern kann und so die praktische Anwendung von grünem Wasserstoff vorantreibt.
Der Kern der alkalischen Wasserelektrolyse zur Wasserstofferzeugung ist die Wasserstoffentwicklungsreaktion. Bei der Anionenaustauschmembran-Wasserelektrolyse umfasst diese Reaktion zwei eng miteinander verbundene Schritte: die Spaltung von Wassermolekülen und die Erzeugung von Wasserstoffgas. Wenn einer dieser Schritte langsam abläuft, beeinträchtigt dies die Gesamteffizienz. Viele bestehende Katalysatoren optimieren oft nur einen der Schritte – ähnlich wie eine Beschleunigung an einzelnen Arbeitsstationen einer Produktionslinie, während andere Abschnitte nicht mithalten können, was eine Verbesserung der Gesamtleistung erschwert.
Um dieses Ungleichgewicht anzugehen, schlug das Forschungsteam eine „Assistenz-getriebene“ Strategie vor, die Ruthenium (Ru) mit Vanadiumdioxid (VO₂) kombiniert. Durch die Einführung von Vanadiumdioxid um die aktiven Ruthenium-Zentren herum wurde der Katalysator so gestaltet, dass er sowohl den Wasserspaltungsschritt als auch den Wasserstofferzeugungsschritt kontinuierlich optimieren kann. An der Grenzfläche zwischen Ruthenium und Vanadiumdioxid können die gebildeten V-O-Ru-Konjugat-π-Bindungen die elektronische Struktur der aktiven Zentren dynamisch regulieren und so eine schnellere Spaltung der Wassermoleküle fördern. Gleichzeitig hilft der reversible Wasserstoff-Spillover-Prozess, den Adsorptionszustand des Wasserstoffs zu regulieren, wodurch der Katalysator näher an die idealen Reaktionsbedingungen herankommt, die von mikrokinetischen Modellen vorhergesagt werden.
Unter denselben Testbedingungen zeigte der neue Katalysator eine bessere Wasserstoffentwicklungsaktivität als herkömmliche Ru/C- und Pt/C-Katalysatoren. Sein Überspannungspotenzial betrug 12 mV (bei einer Stromdichte von 10 mA cm⁻²), und die Wechselfrequenz erreichte 12,2 s⁻¹, was darauf hindeutet, dass er Wasserstoff mit geringem Energieverlust effizient erzeugen kann. Das Forschungsteam setzte den Katalysator auch in einem praktisch betriebenen Anionenaustauschmembran-Elektrolyseur ein. Durch die Analyse der Relaxationszeitverteilung wurde bestätigt, dass die im Labor beobachteten Verbesserungen der Reaktionskinetik auch auf Geräteebene sichtbar sind.
Associate Professor Yizhou Zhang vom Advanced Institute for Materials Research der Tohoku-Universität sagte: „Dieses Assistenz-getriebene Konzept ermöglicht es uns, mehrere Reaktionsschritte zu koordinieren, anstatt sie einzeln zu optimieren. Durch das Design der Grenzflächenstruktur zwischen Ruthenium und Vanadiumdioxid können wir die Gesamtkinetik der alkalischen Wasserstoffentwicklungsreaktion verbessern.“
Effizientere und langlebigere Elektrolyseure tragen dazu bei, den für die Wasserstofferzeugung benötigten Strom zu reduzieren und die Lebensdauer des Systems zu verlängern. Niedrigere Kosten für grünen Wasserstoff werden seine Anwendung in Bereichen wie Stahlproduktion, chemische Fertigung, Schifffahrt und großskalige Energiespeicherung vorantreiben. Das Forschungsteam plant, die Grenzflächenstruktur weiter zu optimieren und die Assistenz-getriebene Strategie auf andere katalytische Systeme auszuweiten. Die relevanten experimentellen und rechnerischen Daten wurden auf der von Haos Lab entwickelten, größten katalytischen Datenbank „Digital Catalysis Platform“ hochgeladen.
Veröffentlichungsdetails: Autoren: Tingyu Lu et al., Titel: „Billigerer grüner Wasserstoff? Neues Katalysatordesign reduziert Energieverluste in AEM-Elektrolyseuren“, veröffentlicht in: ACS Catalysis (2026). Zeitschrifteninfo: ACS Catalysis
