Wasserstoff gilt als vielversprechendste grüne Energiequelle, da er lediglich Sauerstoff und Wasser freisetzt. Es gibt verschiedene Verfahren zur Herstellung von grauem, blauem und grünem Wasserstoff. Verfahren und Art des erzeugten Wasserstoffs hängen von der Energiequelle und den CO₂-Emissionen ab. Die Produktion von grünem Wasserstoff ist dabei die umweltfreundlichste Methode, da sie keine CO₂-Emissionen verursacht. Daher suchen Forscher nach Möglichkeiten zur Steigerung der grünen Wasserstoffproduktion aus aktiven MXenen.
Ein Forschungsteam des Korea Institute of Science and Technology (KIST) unter der Leitung von Dr. Albert Sung Soo Lee hat in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Professor Chong Min Koo an der Sungkyunkwan University ein oxidativ stabiles, auf Molybdän basierendes MXen als Elektrokatalysatorträger in Anionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseuren entwickelt .
Der kürzlich veröffentlichte Bericht hebt die Stabilität von MXen unter oxidativen Hochspannungsbedingungen hervor . Das Experiment zeigt, dass MXen als Elektrodenmaterial für die Sauerstoffentwicklungsreaktion zur Herstellung von grünem Wasserstoff eingesetzt werden kann. Dies kann auch die Produktionskosten senken.
Grüne Wasserstoffproduktion und Bedarf an MXen
Die Spaltung von Wasser in Wasserstoff- und Sauerstoffmoleküle erfordert viel Energie. Ein Katalysator mit winzigen Nanopartikeln, die eine größere Reaktionsoberfläche bieten, kann den Energiebedarf senken.
Die Effizienz der Wasserstoffproduktion nimmt jedoch mit der Zeit ab, da Katalysatorpartikel agglomerieren. Um dies zu verhindern, wird hauptsächlich Kohlenstoff als Kathode verwendet, der jedoch während der Oxidationsreaktion der Anode zu CO2 oxidiert.
Daher werden Mxene, die Nanomaterialien, als Träger verwendet. Da sie aus Metallatomen (Mo, Ti, Ta, Hf usw.) und Kohlenstoff- oder Stickstoffatomen bestehen, weisen sie elektrische Leitfähigkeit auf. Zudem verfügen sie über eine zweidimensionale Nanostruktur, die sich als Träger für den Katalysator eignet. Diese Eigenschaften machen sie für die Wasserstoffproduktion vorteilhaft.
In einem weiteren Forschungsprojekt entwickeln die Wissenschaftler der UT Wasserstofftreibstoff aus eisenreichen Gesteinen.
Highlights: Verbesserte Produktion von grünem Wasserstoff aus aktiven MXenen
- MXene basieren auf Titan und oxidieren aufgrund ihrer atomaren Natur leicht in Wasser. Dies führte zu dem inhärenten Nachteil des Katalysators, dass er keine hohe elektrische Leitfähigkeit aufrechterhalten konnte.
- Um diese Einschränkung zu überwinden, entwickelte das Team ein auf Molybdänkarbid basierendes MXen als unterstützenden Katalysator.
- Molybdänbasiertes MXen erzeugt starke Bindungen zwischen Molybdänatomen und dem aktiven Kobaltmaterial auf der Oberfläche.
- Aufgrund der bei der Reaktion entstehenden chemischen Bindungen wird die Wasserstoffproduktion um das 2.45-fache erhöht.
- Die Zellhaltbarkeit verbessert sich im Vergleich zu den Ergebnissen des neuesten titanbasierten MXene (die weniger als 10 Stunden betrug) um das Zehnfache.
- Der neue Ansatz senkt die Produktionskosten von grünem Wasserstoff.
- Es soll in großen Wasserstoffproduktionsanlagen und Kraftwerken zum Einsatz kommen.
Ein weiterer Durchbruch im Bereich der grünen Energie: Katalysator senkt den Iridiumverbrauch in Wasserstoffelektrolyseuren um 95%.
Dr. Albert Sung Soo Lee vom KIST sagt: „Durch die Kontrolle der Elemente, aus denen MXene besteht, konnten wir geeignete Kandidaten für Umgebungen zur Produktion von grünem Wasserstoff finden und dadurch einen stabilen MXene-Träger in einer oxidierenden Umgebung sichern.“
„Zukünftig werden wir zur Wiederbelebung der wasserstoffbasierten Wirtschaft beitragen, indem wir sauerstofferzeugende Elektrodenkatalysatoren mit katalytischer Effizienz und Langlebigkeit entwickeln“, fügte Dr. Lee hinzu.
