Katalysatoren als chemische Wundermittel

Die wachsende Bedeutung von Nickel, Zinn und Kupfer

Benötigtes Iridium bis 2030, © Heraeus

Neue Zeiten erfordern neue Mittel – und auch neue Materialien. An die Stelle von mineralölischen Produkten, die in fossilen Zeiten das Geschehen bestimmten, treten im Rahmen der fortschreitenden Elektrifizierung zunehmend chemische Produkte, insbesondere Katalysatoren. Dementsprechend ist nicht nur ein Kampf um seltene Erden, sondern auch um seltene Chemikalien entbrannt. Umso wichtiger sind Forschungsaktivitäten, die Alternativen zu seltenen sowie teuren Substanzen voranbringen. Bereits heute ist absehbar, dass auch günstige Materialien wie Nickel, Zinn oder Kupfer mit bislang unerkannten Eigenschaften solche Alternativen sein können – gute Nachrichten sowohl für die Elektrolyseur-, als auch für die Brennstoffzellenproduktion.

Prof. Peter Strasser von der Technischen Universität Berlin arbeitet an Nickel- und Eisenoxid-Katalysatoren, die unter alkalischen Bedingungen in membranbasierten Wasserelektrolyseuren, sogenannten Alkalischen Exchange-Membran-Wasserelektrolyseuren (AEMWE), eingesetzt werden und den herkömmlichen Iridium-Katalysatoren der Proton-Exchange-Membran-Wasserelektrolyse (PEMWE) überlegen sein könnten. Peter Strasser erläuterte: „Die PEMWE verwenden das sehr teure und höchst seltene Edelmetall Iridium als Katalysator an ihrer Anode, wo aus Wasser Sauerstoff entsteht. Geht man von den in der Wasserstoffstrategie der Bundesregierung formulierten Kapazitätszielen zur Wasserstoffproduktion bis 2030 aus, müssten wir jedoch die gesamte jährliche Iridiumförderung der Welt verwenden, um wenige Prozent des deutschen Energiebedarfs zu decken.“ (S. auch HZwei-Heft Okt. 2020.)

Das weltweite Iridium-Vorkommen beträgt rund acht Tonnen pro Jahr. Bei der PEM-Elektrolyse werden heute rund ein bis zwei Gramm Iridium pro Kilowatt Elektrolyseleistung benötigt. Sollte wie geplant eine Elektrolysekapazität von 40 GW bis 2030 aufgebaut werden, würden 20 bis 40 Tonnen Iridium benötigt, wenn die Hälfte der Kapazität aus PEM-Elektrolyse generiert wird.

HOW

Neue Ergebnisse und molekulares Verständnis zur Wirkungsweise der NiFe-Designerkatalysatoren veröffentlichte das Team der TU Berlin im Mai 2020 in der Zeitschrift Nature Communication. Darin vergleichen die TU-Wissenschaftler ihre experimentellen Daten mit einem neuen theoretischen Modell dieses Katalysators, das mit KollegInnen der US-amerikanischen Purdue University entwickelt wurde. Die experimentellen Ergebnisse, die in Zusammenarbeit mit dem Fritz-Haber-Institut entstanden, konnten durch das neue Modell vollständig und quantitativ reproduziert werden. Laut Strasser rückt mit solchen und ähnlichen Durchbrüchen in der Katalysatorforschung für die Wasserelektrolyse „eine grüne, effiziente und kostengünstige Wasserstoffproduktion in greifbare Nähe“.

Auch der Technologiekonzern Heraeus forscht auf diesem Gebiet und hat Ende September 2020 einen neuen Elektrokatalysator auf den Markt gebracht. Nach Angaben des Hanauer Unternehmens ist dieser Katalysator für die PEM-Elektrolyse vergleichsweise kostengünstig und effizient, da er 50 bis 90 Prozent weniger Iridium als herkömmliche Produkte bei einer bis zu dreimal höheren Katalysatorleistung beinhaltet.

„Das weltweite Angebot des Edelmetalls Iridium reicht schlicht nicht aus, um mit herkömmlichen Katalysatoren die H2-Ziele der EU-Kommission zu erreichen. Wir sind daher sehr stolz, durch unsere Produktentwicklung einen so niedrigen Iridiumanteil erreichen zu können.“

Christian Gebauer, Leiter Hydrogen Systems bei Heraeus Precious Metals

Kupfer für PEM-Brennstoffzellen

Katalysatoren werden aber nicht nur in Elektrolyseuren benötigt. Seit Jahren wird auch nach geeigneten Substituten für teure Edelmetallkatalysatoren, die bislang in PEM-Brennstoffzellen eingesetzt werden, gesucht. Prof. Julia Kunze-Liebhäuser von der Universität Innsbruck stieß dabei jetzt auf Kupfer, obwohl dieses Metall in der Literatur als „inaktiv“ für diese Reaktion beschrieben wird.

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