Eine neue Studie enthüllt einen kostengünstigen, hocheffizienten Katalysator, der die Bereitstellung wirtschaftlicherer Wasserspaltungssysteme vorantreiben und die Erzeugung von nachhaltigen Kraftstoffen im großen Maßstab beschleunigen könnte. Die von Dipankar Saha, Postdoktorand, und Professor James Watkins vom Fachbereich Polymer Science and Engineering des College of Natural Sciences gemeinsam verfasste Forschung wurde in der Zeitschrift Chemical Science veröffentlicht.
Saha erklärt: „Unsere Studie beschreibt eine Synthesemethode im Sekundenbereich, die Eisen-Nickel (Fe-Ni)-Metallatome in einer Kohlenstoffmatrix einschließt, um Cluster mit optimalem Abstand zu bilden. Dadurch entsteht ein kostengünstiger, skalierbarer, edelmetallfreier Sauerstoffentwicklungskatalysator, der nahtlos von der Laborskala der Elektrochemie auf reale Membranelektrodenbaugruppen (MEA)-Geräte übertragen werden kann."
Dieser Katalysator ermöglicht eine praktische Wasserstoffproduktion als Anode in einer alkalischen Wasserelektrolysezelle, wobei Struktur, Geschwindigkeit und Metall-Metall-Synergieeffekte gemeinsam so gestaltet werden, dass sie auf einer einzigen Plattform Leistung, Haltbarkeit und Skalierbarkeit bieten. Die durch den Katalysator ermöglichte Wasserstoffproduktion hat mehrere praktische Anwendungen, darunter die Unterstützung des Übergangs zu sauberem Wasserstoff und nachhaltigen Kraftstoffen, die Senkung von Kostenbarrieren und die Steigerung der Energieeffizienz.
Auf wissenschaftlicher Ebene verändert diese Arbeit die Art und Weise, wie Elektrokatalysatoren entworfen und hergestellt werden, indem sie ein Syntheseverfahren einführt, das die Metall-Metall-Nähe auf atomarer Ebene präzise steuert. Sie geht über traditionelle Strategien mit einzelnen Atomen oder Nanopartikeln hinaus und etabliert ein neues Paradigma für das Katalysatordesign auf Clusterbasis, bei dem die synergistischen Metallwechselwirkungen (Fe-Ni) bewusst gestaltet werden.
Saha sagt: „Auf grundlegender Ebene haben wir aufgezeigt, wie Fe-Ni-Metallcluster auf atomarer Ebene interagieren und wie die Grenzflächen in der Kohlenstoffmatrix die elektrokatalytische Reaktion steuern, was zu einem tiefen Verständnis der Struktur-Aktivitäts-Beziehungen führt. Diese Erkenntnisse haben wir dann in ein funktionierendes Gerät umgesetzt, indem wir den Katalysator in ein MEA-System zur Wasserstoffproduktion integriert haben. Kürzlich haben wir zudem vielversprechende Experimente zur Umwandlung der Stickstoffreduktionsreaktion (NRR) in Ammoniak abgeschlossen.“
Die Ergebnisse dieser Studie könnten Fortschritte in der sauberen Energieerzeugung bringen. Saha meint: „Diese Forschung bietet eine schnelle, skalierbare Methode zur Herstellung von Fe-Ni-Metallclustern, die die Produktion von sauberem Wasserstoff, Sauerstoff und Ammoniak antreiben. Gleichzeitig bietet sie Wissenschaftlern eine Plattform, um atomare Synergieeffekte in Multimetallkatalysatoren für nachhaltige Energie- und Chemieanwendungen zu untersuchen.“
Die Studie ist das Ergebnis einer internationalen Zusammenarbeit zwischen dem Fachbereich Polymer Science and Engineering des College of Natural Sciences, dem Fachbereich Chemical and Biomolecular Engineering der Riccio School of Engineering, der University of New South Wales in Australien, dem Canadian Centre for Electron Microscopy und dem National Synchrotron Radiation Research Center in Taiwan.
Veröffentlichungsdetails: Autoren: University of Massachusetts Amherst; Titel: Energy-efficient Fe-Ni catalyst could cut costs for alkaline water electrolysis; veröffentlicht in: Chemical Science (2026); Zeitschrifteninfo: Chemical Science
