02.01.2024

Neue Herstellungsmethode für Elektrokatalysatoren

Niedrigtemperatur-Synthese spezieller keramischer Werkstoffe ist schnelle und spart Energie.

Forscher des Bayerischen Zentrums für Batterietechnik und des Forschungsverbunds SolTech an der Uni Bayreuth haben eine neue Herstellungsmethode für Elektrokatalysatoren vorgestellt: eine schnelle Niedrigtemperatur-Synthese spezieller keramischer Werkstoffe. Dieses Verfahren kann künftig die Elektrolyse von Wasser und die damit verbundene Wasserstoffherstellung energiesparender ermöglichen.

Abb.: Eine Probe wird zur Bestrahlung in den Mikrowellen-Reaktor eingestellt.
Abb.: Eine Probe wird zur Bestrahlung in den Mikrowellen-Reaktor eingestellt.
Quelle: J. Rennecke, U. Bayreuth

Derzeit werden vor allem Elektrokatalysatoren eingesetzt, die auf Iridium- oder Rutheniumoxidbasis arbeiten, was die Materialkosten deutlich erhöht und eine großflächige Ausweitung auch in Bezug auf Materialverfügbarkeit erschwert. Für diese Prozesse werden Hochentropie-Übergangsmetalloxide immer interessanter. Diese werden allerdings meist bei hoher Temperatur und langen Synthesezeiten gewonnen. „Wir präsentieren erstmals eine Niedrigtemperatur-Synthese von Hochentropie-Oxiden, genauer von Spinellen mit hohem Eisenanteil“, berichtet Roland Marschall von der Uni Bayreuth.

Die neuartige Synthese in der Mikrowelle erlaubt es, die Synthesezeit auf Minuten und die Temperatur auf 225 °C zu reduzieren. Zum einen ist die Synthese damit viel weniger energieintensiv, und zum anderen ermöglicht dies die Herstellung von Nanopartikeln. Das ist vor allem in der Katalyse interessant, da Nanopartikel ein besonders hohes Oberflächen- zu Volumenverhältnis aufweisen und die für die Elektrolyse notwendigen katalytischen Reaktionen an der Oberfläche ablaufen.

„Wir konnten erstmals zeigen, dass eine breite Vielfalt unterschiedlicher Zusammensetzungen mit bis zu sieben verschiedenen Metallen zusätzlich zu Eisen mit dieser einfachen Niedrigtemperatur-Synthese erreicht werden kann“, sagt Marschall. Ein partieller Ersatz von Eisen durch das für seine hohe Aktivität bekannte Kobalt konnte eine zusätzliche Steigerung der katalytischen Aktivität ermöglichen.

„Zuletzt hängt die Aktivität der Katalysatoren noch maßgeblich von der Zusammensetzung ab – die ist allerdings nicht bei allen bisherigen Synthesemethoden frei variierbar“, so Marschall weiter. „Unsere Methode zeigt dagegen hohe Flexibilität, was den Einbau einer Vielzahl von Elementen in unterschiedlichen Oxidationsstufen ermöglicht, und zum anderen erlaubt, die Zusammensetzung und damit auch die Aktivität der Katalysatoren einzustellen.“

U. Bayreuth / RK


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