08.08.2023 • Energie

Besseres Recycling von Elektrolyse-Katalysatoren

Neues Trennverfahren erreicht eine Metall-Rückgewinnung von mehr als neunzig Prozent.

Grüner Wasserstoff aus der Elektrolyse mit erneuerbaren Energien gilt als Schlüsselelement der Energiewende. Für die elektro­chemische Spaltung von Wasser sind Edelmetalle wie Platin, Iridium oder Ruthenium als Kata­lysatoren notwendig. Wie das Recycling dieser Metalle verbessert werden kann, prüfte ein europäisches Forschungs­projekt mit Beteiligung der TU Bergakademie Freiberg seit drei Jahren. „Da die teuren Edelmetalle in Elektrolysezellen noch nicht vollständig durch andere ähnlich effiziente Materialien ersetzt werden können, besteht die Heraus­forderung, sie verlustfrei zurückzugewinnen. Und dies idealerweise mit umwelt­schonender Aufbereitung“, sagt Projektleiter Alexandros Charitos.

Abb.: Lesia Sandig-Predzymirska entwickelt an der TU Freiberg umwelt­schonende...
Abb.: Lesia Sandig-Predzymirska entwickelt an der TU Freiberg umwelt­schonende Methoden für das Recycling von Edelmetallen aus Elektro­katalysatoren. (Bild: C. Mokry, TU Freiberg)

Der Fokus des Teams lag auf hydro­metallurgischen Recycling-Methoden. Dabei wird das Katalysator-Material in eine wässrige Lösung überführt und im Anschluss als Salz oder Metall in fester und möglichst reiner Form zurückgewonnen. „Die Rückgewinnung der verschiedenen Katalysator­schichten aus Edelmetallen, das Herzstück des Protonen-Austausch-Membran-Elektro­lyseurs, benötigt bislang einen energieaufwändigen und potenziell umwelt­schädlichen Verfahrens­schritt. Im Projekt „Recycalyse“ verfolgen wir einen Recycling­prozess, bei dem die Katalysator­schichten von der Fluor-haltigen Membran getrennt werden“, sagt Lesia Sandig-Predzymirska.

Die Edelmetalle der vorkonzen­trierten Katalysator­schichten können dann mit milderen und umwelt­schonenderen Laugungsmitteln recycelt werden. „So werden Ausgangsstoffe hergestellt, die direkt für die Produktion neuer Elektro­katalysatoren verwendet werden können, um den Material­kreislauf zu schließen“, sagt Sandig-Predzymirska. Ein neu entwickelter Katalysator aus Iridium und Ruthenium erwies sich als der effizienteste für die Sauerstoff­entwicklungs­reaktion auf der Anodenseite der Zelle. Als Trägermaterial für die Edelmetalle fungierte ein Antimon-dotiertes Zinnoxid statt Kohlenstoff. „Wir haben ein hydro­metallurgisches Verfahren zur Rückgewinnung von Ruthenium entwickelt und patentiert, bei dem kostengünstige Chemikalien eingesetzt werden, um die für die Industrie wertvollen Ruthenium­komplexe effizient zu gewinnen“, sagt Sandig- Predzymirska.

Ruthenium­komplexe werden nicht nur in der chemischen Industrie für die Herstellung von Katalysatoren verwendet, sondern auch in vielen anderen Bereichen wie der Elektronik­industrie, der Medizin, der Biologie, den Nano­wissenschaften und der Solarzellen­herstellung eingesetzt. Zusammen mit einem neu entwickelten Trennverfahren der einzelnen Metallionen erreichte das Team eine Metall-Rückgewinnung von mehr als neunzig Prozent der enthaltenen Edelmetalle. Neben der Effizienz und Verfügbarkeit der Materialien konzentriert sich das Projekt auf deren Recycling­fähigkeit im Sinne der Kreislauf­wirtschaft. Es wird vom Dänischen Techno­logischen Institut geleitet und von neun weiteren Partnern getragen. Noch bis Ende September 2023 wird es mit insgesamt 5,5 Millionen Euro aus dem Forschungs- und Innovations­programm Horizont 2020 der Europäischen Union unterstützt.

TU Freiberg / JOL

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