Forscher des Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) haben erfolgreich einen neuen Katalysator entwickelt, der die chemische Reaktion zur Herstellung von sauberem Wasserstoff aus Harnstoff im Abwasser beschleunigt. Durch die Einbettung von Nickel-Nanodrähten in mit Stickstoffplasma behandelte Kohlenstoffnanoröhren verbessert der Katalysator seine Widerstandsfähigkeit gegenüber stark alkalischen Umgebungen deutlich und macht ihn so hocheffizient und langlebig. Diese innovative Entdeckung hat erhebliche Auswirkungen auf zukünftige Technologien zur sauberen Wasserstoffproduktion und Abwasserreinigung.

Das Forschungsteam stellte fest, dass Wasserstoff als eine der wichtigsten Methoden zur Speicherung sauberer Energie für seine Produktion auf effiziente Katalysatoren angewiesen ist. Die Harnstoffoxidation ist aufgrund ihres geringen Energieverbrauchs und ihrer Abwasserreinigungseigenschaften eine vielversprechende Methode zur Wasserstoffproduktion. Das Team des Skolkovo Institute of Science and Technology optimierte das Katalysatormaterial, um dessen Zersetzung in rauen Reaktionsumgebungen effektiv zu reduzieren und so seine Stabilität und Haltbarkeit zu verbessern.

„Wir haben das Katalysatormaterial optimiert, um seinen Abbau in rauen Reaktionsumgebungen zu reduzieren, was für Elektrolyseure zur Wasserstoffproduktion entscheidend ist“, sagte Aliya Verdanova, die Erstautorin der Studie. Co-Autor Fedor Fedorov stellte außerdem fest, dass Nickel und Nickeloxid bei der Harnstoffoxidation am besten funktionieren, aber anfällig für Abbau sind, während in einwandigen Kohlenstoffnanoröhren eingebettetes Nickel sogar noch bessere Ergebnisse liefert. Der leitende Forscher Professor Albert Nasibulin erklärte weiter, dass die durch die Behandlung von Kohlenstoffnanoröhren mit Stickstoffplasma entstehenden Defekte nicht nur die Menge des eingebetteten Nickels erhöhen, sondern auch als katalytisch aktive Stellen dienen und die Reaktion beschleunigen.

Das Forschungsteam ermittelte das optimale Plasmabehandlungsmuster durch molekulardynamische Simulationen und bestätigte dessen Wirksamkeit experimentell. Im Vergleich zu Metallschäumen und anderen Nickelformen zeigten nickelbeladene einwandige Kohlenstoffnanoröhren eine höhere katalytische Aktivität und Lebensdauer. Die Aktivität nahm nach 1.000 Zyklen um weniger als 2 % ab. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Small veröffentlicht und von der Russischen Wissenschaftsstiftung gefördert.