Perowskit-Partikel für die Energiewende

Um Sonnen- und Windenergie in Form von Wasserstoff speichern zu können, werden effiziente Elektrolyseure benötigt. Dank eines neuen Materials, das Forscher des Paul-Scherrer-Instituts PSI und der Empa entwickelt haben, dürften diese Geräte in Zukunft günstiger und effizienter werden. Die Forscher haben auch gezeigt, wie sich das neue Material zuverlässig in großen Mengen herstellen lässt, und seine Leistungs­fähigkeit in einer technischen Elektrolyse­zelle nachgewiesen. Da Sonnen- und Wind­energie nicht jederzeit verfügbar sind, können sie nur dann einen wesentlichen Beitrag zur Energie­versorgung leisten, wenn sie effizient speicherbar sind, etwa in Form von Wasserstoff. Der Wasserstoff kann in Tanks gespeichert und später zum Beispiel mithilfe von Brennstoff­zellen wieder in elektrische Energie umgewandelt werden. Das kann unmittelbar an den Orten geschehen, an denen der Strom gebraucht wird: in Wohnhäusern oder in Brennstoff­zellen­fahrzeugen, die eine Mobilität ganz ohne CO₂-Ausstoß ermöglichen würden.

Forscher des PSI haben nun ein neues Material entwickelt, das in Elektrolyseuren als Katalysator die Aufspaltung der Wasser­moleküle, den ersten Schritt der Erzeugung von Wasserstoff, beschleunigt. „Es gibt heute zwei Typen von Elektrolyseuren auf dem Markt: Die einen sind effizient, aber teuer, weil deren Katalysatoren unter anderem Edel­metalle wie Iridium enthalten. Die anderen sind günstiger, aber weniger effizient“, erklärt Emiliana Fabbri, Forscherin am PSI. „Wir wollten einen effizienten Katalysator entwickeln, der zudem günstig ist, weil er ohne Edelmetalle auskommt.“

Dabei haben die Forscher auf ein eigentlich schon bekanntes Material zurück­gegriffen: eine komplexe Verbindung der Elemente Barium, Strontium, Kobalt, Eisen und Sauerstoff – ein Perowskit. Sie haben aber als Erste ein Verfahren entwickelt, mit dem er sich in Form von winzigen Nanopartikeln erzeugen lässt. Nur so kann er effizient wirken, denn ein Katalysator benötigt eine möglichst hohe Oberfläche, an der viele reaktive Zentren die elektro­chemische Reaktion beschleunigen. Macht man die einzelnen Partikel des Katalysators möglichst klein, addieren sich deren Oberflächen zu einer umso größeren Gesamt­oberfläche.

Für die Herstellung des Nanopulvers nutzten die Forscher ein Flame-Spray-Gerät, das von der Empa betrieben wird. In diesem Gerät werden die Bestandteile des Materials gemeinsam durch eine Flamme geschickt, vermischen sich dabei und erstarren schnell zu kleinen Partikeln, sobald sie die Flamme verlassen. „Die Herausforderung war, das Gerät so zu betreiben, dass die Atome der einzelnen Elemente zuverlässig in der richtigen Struktur zusammenfinden“, betont Fabbri. „Zusätzlich konnten wir noch den Sauerstoff­gehalt gezielt variieren und so verschiedene Varianten des Materials erzeugen.“

Die Wissenschaftler haben gezeigt, dass ihre Entwicklungen nicht nur im Laborversuch funktionieren, sondern auch wirklich praxistauglich sind. So liefert das vorgestellte Herstellungs­verfahren große Mengen des Katalysator­pulvers und dürfte sich leicht an einen industriellen Massstab anpassen lassen. „Es war uns auch wichtig, den Katalysator selbst einem echten Praxistest zu unterziehen. Wir haben hier am PSI natürlich Messanlagen, in denen wir das Material untersuchen können, aber am Ende kommt es darauf an, wie sich das Material in einer industriellen Elektrolysezelle, wie sie in kommerziellen Elektrolyseuren eingesetzt wird, verhält“, so Fabbri. Daher testeten die Forscher den Katalysator in Kooperation mit einem amerikanischen Hersteller von Elektrolyseuren und konnten dabei zeigen, dass das Gerät mit dem neuen Perowskit der PSI-Forscher zuverlässiger arbeitete als mit einem konventionellen Iridium-Oxid-Katalysator.

Darüber hinaus konnten die Forscher auch genau untersuchen und nachvollziehen, was in dem neuen Material passiert, wenn es aktiv ist. Dafür durchleuchteten sie es mit Röntgenlicht an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI. Hier steht für die Forscher ein weltweit einzigartiger Messplatz zur Verfügung, an dem sich der Zustand eines Materials in Zeiträumen von zwei Zehntel­sekunden untersuchen lässt. „So können wir verfolgen, wie sich der Katalysator während der katalytischen Reaktion verändert: Wir sehen, wie sich die elektronischen Eigenschaften oder die Anordnung der Atome ändern“, so Fabbri. „An anderen Anlagen dauert eine einzelne Messung rund 15 Minuten, sodass man dort höchstens ein gemitteltes Bild bekommt.“ Ein Ergebnis dieser Messungen ist, dass sich die Struktur an der Oberfläche der Partikel im Betrieb verändert – das Material wird zum Teil amorph, die Atome sind also in einzelnen Bereichen nicht mehr regelmäßig angeordnet. Das Unerwartete an dem Ergebnis ist, dass das Material dadurch zu einem besseren Katalysator wird.

An der Entwicklung von technologischen Lösungen für die Energiezukunft der Schweiz mitzuarbeiten ist einer der wesentlichen Forschungs­schwerpunkte des PSI. So stellt das PSI mit der ESI-Plattform („Energy System Integration“) der Forschung und Industrie eine Versuchs­plattform zur Verfügung, auf der sich vielversprechende Lösungsansätze in ihren komplexen Zusammen­hängen testen lassen. Der neue Katalysator ist hierbei eine wichtige Basis für die Entwicklung von Wasser-Elektrolyseuren der nächsten Generation.

PSI / DE