Wasserspalten leicht gemacht

Das wachsende Bewusstsein hinsichtlich der Probleme traditioneller Energieträger verlangt nach der gezielten Entwicklung von erneuerbaren Energie­quellen, als Alternative für die begrenzten fossilen Brennstoffe. Wegen seiner hohen Energie­dichte und umwelt­freundlichen Eigenschaften ist molekularer Wasserstoff ein attraktiver und viel­versprechender Energie­speicher für die künftige globale Energienachfrage. Unter den verschiedenen Methoden zur Herstellung von Wasserstoff stellt die elektro­katalytische Erzeugung durch Wasserspaltung (Wasserstoff­entwicklungs­reaktion, engl.: HER) das effektivste Verfahren für die zukünftige Wasserstoff­ökonomie dar.

Um die Geschwindigkeit der üblicherweise langsam ablaufenden HER – besonders in basischen Elektrolyten – anzuheben, werden hoch aktive und robuste Elektro­katalysatoren benötigt, um die kinetische HER-Überspannung zu senken. Als Messlatte der HER-Elektrokatalysatoren mit einer Überspannung von Null gilt das Edelmetall Platin, welches die dominante Rolle in der H₂-Produktions­technologie spielt, wie zum Beispiel in der Wasser-Alkali-Elektrolyse. Knappheit und hohe Beschaffungs­kosten behindern jedoch die groß­technische Anwendung in der elektro­katalytischen HER.

Xinliang Feng vom Lehrstuhl für Molekulare Funktions­materialien und sein Team vom Center for Advancing Electronics Dresden an der TU Dresden haben in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) Dresden und internationalen Partnern von der Universität Lyon (ENS de Lyon), Centre national de la recherche scientifique (CNRS, beide Frankreich) und der Tohoku University (Japan) nun einen günstigen Elektro­katalysator hergestellt, welcher auf Molybdän-Nickel (MoNi₄) basiert, das wiederum auf Molybdän-Oxid-Kuboiden (MoO₂) verankert ist. Diese Kleinst­strukturen werden vertikal auf einem Nickel­schaum ausgerichtet (MoNi₄/MoO₂@Ni).

Die MoNi4-Nanopartikel werden in situ auf den MoO₂-Kuboiden gezüchtet, indem Nickel­atome nach außen diffundieren. Das entstehende Material MoNi₄/MoO₂@Ni hat eine sehr hohe HER-Aktivität, die vergleichbar mit denen der Platin­katalysatoren ist, und setzt damit eine neue Kenn­marke unter den platin­freien Elektro­katalysatoren. Experimentell konnten die Forscher die MoNi₄-Kerne als katalytisch hochaktive Zentren ausmachen. Darüber hinaus haben sie mit theoretischen Berechnungen auf Basis der Dichte­funktional­theorie (DFT) aufgezeigt, dass die Energie­barriere der Volmer-Stufe für die MoNi₄-Elektro­katalysatoren stark gesenkt ist.

Die Möglichkeit, diesen Elektrokatalysator in einem großen Maßstab herzustellen, sowie die exzellente katalytische Stabilität zeigen MoNi₄/MoO₂@Ni als eine vielversprechende Alternative in der Wasser-Alkali-Elektrolyse für die Wasserstoff­produktion auf. Die weitere Erforschung von MoNi₄-Elektro­katalysatoren weist daher den Weg zu einer hoffnungs­vollen Methode für eine zukünftige Anwendung in der Energie­erzeugung.

TU Dresden / DE