Nanostrukturiertes Nickelsilizid verspricht grünen Wasserstoff

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Elektrische Energie aus Wind oder Sonne kann als chemische Energie in Wasserstoff gespeichert werden, einem hervorragenden Treibstoff und Energieträger. Voraussetzung hierfür ist jedoch eine effiziente Elektrolyse von Wasser mit kostengünstigen Katalysatoren. Für die Sauerstoffentwicklungsreaktion an der Anode verspricht nun nanostrukturiertes Nickelsilizid eine deutliche Effizienzsteigerung. Dies zeigte eine Gruppe des HZB, der Technischen Universität Berlin und der Freien Universität Berlin im Rahmen der Forschungsplattform CatLab mit Messungen unter anderem an BESSY II.

Elektrolyse dürfte ein bekanntes Konzept aus dem Chemieunterricht in der Schule sein: Zwei Elektroden werden in Wasser getaucht und unter Spannung gesetzt. Durch diese Spannung zerfallen Wassermoleküle in ihre Bestandteile und an den Elektroden steigen Gasblasen auf: An der Anode bildet sich Sauerstoffgas, an der Kathode bilden sich Wasserstoffblasen. Durch Elektrolyse könnte Wasserstoff CO2-neutral hergestellt werden – sofern der benötigte Strom aus fossilen freien Energieformen wie Sonne oder Wind erzeugt wird.

Das einzige Problem besteht darin, dass diese Reaktionen nicht sehr effizient und extrem langsam sind. Um die Reaktionen zu beschleunigen, werden Katalysatoren eingesetzt, die auf Edel- und seltenen Metallen wie Platin, Ruthenium oder Iridium basieren. Für den großtechnischen Einsatz müssen solche Katalysatoren jedoch aus weit verbreiteten und sehr günstigen Elementen bestehen.

Um die Sauerstoffentwicklungsreaktion an der Anode zu beschleunigen, gelten Materialien auf Nickelbasis als gute Kandidaten. Nickel ist korrosionsbeständig, kaum giftig und zudem preiswert. Bisher werden jedoch meist energieintensive Hochtemperaturverfahren zur Herstellung von Katalysatormaterialien auf Nickelbasis eingesetzt.

Ein Team um Dr. Prashanth Menezes (HZB/TU Berlin) hat nun einen „sanften chemischen“ Weg gefunden, einen effizienten Katalysator auf Basis intermetallischer Nickel-Silizium-Nanokristalle herzustellen.

„Wir haben das Element Nickel mit Silizium, dem zweithäufigsten Element in der Erdkruste, kombiniert und über eine chemische Reaktion eine Nanostrukturierung erreicht. Das resultierende Material verfügt über hervorragende katalytische Eigenschaften“, sagt Menezes. Das kristalline Ni2Si diente als Vorkatalysator für die alkalische Sauerstoffentwicklungsreaktion an der Anode und durchläuft unter Betriebsbedingungen eine Oberflächenumwandlung, um Nickel(oxy)hydroxid als aktiven Katalysator zu bilden. Bemerkenswerterweise wurde die Wasserelektrolyse außerdem mit einer organischen Oxidationsreaktion mit Mehrwert kombiniert, bei der die Elektrosynthese industriell wertvoller Nitrilverbindungen aus primären Aminen mit selektiver und vollständiger Umwandlung unter milden Bedingungen hergestellt wurde. Solche elektrosynthetischen Methoden können die Wasserstofferzeugung an der Kathode steigern und gleichzeitig den Zugang zu wertvollen Industrieprodukten an der Anode ermöglichen.

Im Vergleich zu modernen Katalysatoren auf Basis von Nickel, Kobalt, Eisen, Ruthenium und Iridium ist das nanoporöse Ni2Si deutlich aktiver und bleibt unter industriellen Bedingungen über längere Reaktionszeiten stabil. Um das Verhalten von Ni2Si genauer zu verstehen, kombinierte das Team verschiedene Messmethoden, darunter Elementaranalysen, Elektronenmikroskopie und moderne spektroskopische Messungen an BESSY II. „In Zukunft könnten sogar industrielle alkalische Wasserelektrolyseure mit einer Beschichtung aus diesem nanoporösen Nickelsilizid ausgestattet werden“, sagt Menezes.

Referenz: Mondal I, Hausmann JN, Vijaykumar G, et al. Nanostrukturierter intermetallischer Nickelsilizid-(Vor-)Katalysator für die anodische Sauerstoffentwicklungsreaktion und selektive Dehydrierung primärer Amine. Adv-Energiematte. 2022;12(25):2200269. doi:10.1002/aenm.202200269

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