Wasserstoff billiger produzieren: Forschern gelingt wichtiger Schritt

Die Herstellung von grünem Wasserstoff für Brennstoffzellen ist aus verschiedenen Gründen eine Herausforderung. Ein Problem ist, dass der Prozess seltene Rohstoffe wie Iridium braucht. Ein Forscher*innen-Team aus Japan hat jetzt eine neue Methode entwickelt, wie der Einsatz des seltenen Metalls zu 95 Prozent reduziert werden kann.

Wasserstoff kann mithilfe von Elektrolyse aus Wasser extrahiert werden. Der Aufbau besteht vereinfacht dargestellt aus einer Anode, einer Kathode und einer „Protonenaustauschmembran“ (PEM, auch: Polymermembran). Die lässt nur Protonen, also positiv geladene Teilchen, durch. 

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Das Wasser wird an der Anode aufgespalten. Dem so entstehenden Wasserstoff werden Elektronen entzogen, und aus H2O erhält man H+. Diese Protonen wandern nun zur Kathode (Minuspol) und nehmen dort Elektronen auf. Das Ergebnis: H2, also Wasserstoff. Ein ähnliches Prinzip wird auch in einer Wasserstoff-Brennstoffzelle eingesetzt.

Ein großes Problem dieser Methode ist das benötigte Material. An der Anode wird derzeit ein Katalysator aus Iridium verwendet. Doch das Metall ist eines der seltensten Elemente der Welt. Deswegen lässt sich dieser Prozess nicht hochskalieren, denn dafür wären enorme Mengen an Iridium nötig. Das ist sehr teuer und nicht nachhaltig. Weltweit wird also nach einem besser verfügbaren Ersatzprodukt gesucht, das einen ähnlichen Wirkungsgrad hat. 

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Manganoxid ersetzt Iridium

Das Team um Ryuhei Nakamura vom RIKEN Centre for Sustainable Resource Science (CSRS) hat bereits vor 2 Jahren Iridium weitestgehend durch ein Mangan-Cobaltoxid-Gitter ersetzt. Bisher war das aber noch nicht stabil genug, um tatsächlich industriell eingesetzt zu werden. 

Nun feierten sie erneut einen Durchbruch: Ihr neuer Katalysator besteht nur noch zu 5 Prozent aus Iridium und zu 95 Prozent aus Manganoxid (MnO2). Mangan ist ein chemisches Element, das in der Stahlproduktion eingesetzt wird. Nach Eisen und Titan ist es am dritthäufigsten unter den Übergangsmetallen auf der Erde vorhanden.

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Der Durchbruch gelang, indem die Gitterstruktur des Katalysators durch die Zugabe von Sauerstoff stabil gemacht wurde. Dadurch wurde er 4.000-Mal stabiler als in bisherige Bemühungen. Damit konnte etwa 4 Monate lang (3.000 Stunden) ein Wirkungsgrad von 82 Prozent gehalten werden. 

Stabil, effizient aber noch nicht genug für die Industrie

Gleichzeitig wurde ein weiteres Problem gelöst. Bisher ging die erhöhte Stabilität auf Kosten der Effizienz. Doch die Wechselwirkung zwischen Iridium und dem Manganoxid sorgt dafür, dass sich das Iridium in einer seltenen, aber hochaktiven Oxidationsstufe (+6) befindet. Die finale Version produzierte 10-Mal mehr Wasserstoff als mit anderen Metallkatalysatoren, die nicht auf seltenen Elementen basieren. 

Bei ihrem Test erreichten sie eine Stromdichte von 200 mA/cm2 und konnten das für 6 Wochen aufrechterhalten. Das sei „hocheffizient“, heißt es in einem Statement. Für die industrielle Verwendung wird allerdings eine Stromdichte von 1.000 mA/cm2 benötigt, die jahrelang anhält. Mit ihrem Katalysator gelang das bei dieser Stromdichte einen Monat lang. Die Forscher*innen sind aber überzeugt, ihren Aufbau weiter verbessern zu können und ihn langfristig fit für die Industrie zu machen. Die Ergebnisse der Forschung wurden im Fachmagazin Nature veröffentlicht.