Katalysatoren für die Wasserstoffentwicklung (HER)
Beteiligte Forscher: Stephan Ruck
HER-Katalysator für PEMWE
Pt-Nanopartikel auf einem Rußträger sind derzeit der beste Katalysator für die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) in der Kathode. Die Knappheit und die hohen Kosten motivieren die Suche nach alternativen Katalysatoren ohne Edelmetall. Der bioinspirierte Katalysatoren Molybdänsulfide (MoSx) wurde als billiger und reichlich vorhandener HER-Katalysator unter korrosiven sauren Bedingungen untersucht. Die weitere Entwicklung hat gezeigt, dass MoSx einer der vielversprechendsten Kandidaten für den Ersatz von Pt in saurem HER ist. Die katalytisch aktiven Stellen von MoSx befinden sich an seinen Randstrukturen. Daher wurden [Mo3S13]2- Nanocluster synthetisiert, die die größte Anzahl von Randstellen für die HER-Katalyse aufweisen.
Um die praktische Anwendung dieses Katalysators voranzutreiben, synthetisierten wir [Mo3S13]2-Nanocluster, die mit Graphen und Kohlenstoffnanoröhren dekoriert wurden, um Verbundkatalysatoren (Mo3S13-NCNT) zu bilden. Diese Verbundkatalysatoren mit besserer Dispergierbarkeit und elektrischer Leitfähigkeit sind für Geräteanwendungen besser geeignet. Für den PEMWE-Test mit voller Zelle wurde der Mo3S13-NCNT-Hybridkatalysator auf einen porösen Kohlenstoffträger gesprüht, um freistehende Elektroden zu bilden.
Die Zelle wies eine Stromdichte von 4 A cm-2 bei einer Zellspannung von 2,36 V auf. Diese Stromdichte ist die höchste, die zum Zeitpunkt der Veröffentlichung für einen PEMWE mit einem HER-Katalysator auf Nichtedelmetallbasis berichtet wurde. Darüber hinaus zeigte ein Haltbarkeitstest der Zelle durch Anlegen eines konstanten Stroms von 1 A cm-2 für 100 Stunden eine geringe Degradation von 83 µV h-1 und eine nahezu unveränderte Polarisationskurve nach dem Stromhalten.
HER-Katalysator für Anionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseure (AEMWE)
Die AEM-Wasserelektrolyse hat sich in jüngster Zeit als kostengünstige und effiziente Technologie herauskristallisiert, die mit der etablierten PEMWE und der alkalischen Elektrolyse konkurrenzfähig sein kann. Dies liegt daran, dass AEMWE einerseits eine Stromdichte liefern kann, die mit der von PEMWE vergleichbar ist, und andererseits unedle Katalysatoren sowie poröse Transportschichten und Strömungsfelder aus Nicht-Titan verwendet. Darüber hinaus sind seit kurzem stabile AEM-Materialien verfügbar, die eine Kostenreduzierung ermöglichen, was diese Technologie noch attraktiver macht. Dennoch fehlt es immer noch an einem umfassenden Design von hochleistungsfähigen MEA mit optimierten Grenzflächen unter Verwendung effektiver unedler Katalysatoren. In diesem Thema konzentrieren wir uns insbesondere auf die Entwicklung und Implementierung von unedlen Katalysatoren und Katalysatorschichten für den HER an der Kathode.
Die HER an der Kathode von AEMWE ist aufgrund der Rahmenbedingungen relativ träge im Vergleich zu der von PEMWE. Dies gilt selbst dann, wenn Pt/C-Katalysatoren verwendet werden, und bei nicht edlen Katalysatoren ist die Aktivität weitgehend beeinträchtigt. Unsere Katalysatorlösungen konzentrieren sich daher auf dotierte unedle Katalysatoren zur Steigerung der Aktivität. Unser Forschungsziel ist es, die Verwendung von Edelmetallkatalysatoren zu reduzieren oder sogar ganz darauf zu verzichten, ohne die Leistung von AEMWE zu beeinträchtigen.
Weitere Lektüre:
Fabrication of a Robust PEM Water Electrolyzer Based on Non‐Noble Metal Cathode Catalyst: [Mo3S13]2− Clusters Anchored to N‐Doped Carbon Nanotubes, PKR Holzapfel, M Bühler, D Escalera‐López, M Bierling, FD Speck, K. JJ Mayrhofer, S. Cherevko, C. V. Pham, S. Thiele, Small 16 (37) (2020), 2003161.
Weitere Forschungsthemen
Letzte Änderung: 04.07.2024