Die Sauerstoffentwicklung ist ein zentraler, aber oft übersehener Vorgang bei der Elektrolyse: Während auf der Kathodenseite der gewünschte Wasserstoff entsteht, bildet sich auf der Anodenseite Sauerstoff. Für diesen Vorgang benötigt die Anode eine Schicht aus speziellen Iridiumoxid-Katalysatoren. Doch Iridium ist ein äußerst kostbares Material.
Das Forscherteam hat das Verhalten dieser Katalysatoren nach eigenen Angaben detailliert unter realen Bedingungen untersucht. Dabei zeigte sich, dass der Abbau des Iridiums nicht wie bisher angenommen erst bei der eigentlichen Sauerstoffentwicklung (Oxygen Evolution Reaction, OER) einsetzt. Stattdessen beginne die Zersetzung des Katalysators bereits bei niedrigeren Spannungen – also noch bevor die Wasserspaltung überhaupt startet. Diese Erkenntnis stelle bisherige Modelle grundlegend in Frage.
Forscher identifizieren neuartige Strukturen im Katalysatormaterial
Die PEM-Elektrolyse gilt als Schlüsseltechnologie für die Produktion von grünem Wasserstoff, ist aufgrund des hohen Iridium-Preises aber vergleichsweise kostspielig. Das neue Verständnis der Abbauprozesse könnte nun zu effizienteren Katalysatoren führen, indem es eine gezieltere Optimierung ermöglicht. Wenn es gelingt, den frühzeitigen Abbau des Iridiums zu minimieren, könnte dies die Lebensdauer von PEM-Elektrolyseuren deutlich verlängern und die Kosten der Wasserstoffproduktion senken.
Traditionelles Verständnis „in Frage gestellt“
Die Forscher nutzten für ihre Untersuchungen modernste Analysemethoden. Mit Hilfe von Röntgenspektroskopie an den Synchrotron-Anlagen BESSY II und ALBA sowie durch theoretische Berechnungen konnten sie die atomare Struktur der Katalysatoren während des Betriebs beobachten. Die Ergebnisse sind auch für die Materialentwicklung relevant: Das Team entwickelte ein nanoskaliges atomares Modell, das die realen Prozesse besser abbilde als bisherige, kristallbasierte Ansätze. Damit soll es präzisere Vorhersagen über das Verhalten verschiedener Katalysatormaterialien ermöglichen.
Die Forschungsarbeit unterstreicht die komplexen Wechselwirkungen im Elektrolyseprozess. Die Erkenntnisse der Forscher könnten dazu beitragen, das Verhältnis zwischen der OER und dem Katalysator-Verschleiß besser zu beherrschen. Dass eine Nutzung von elektrolytisch gewonnenem Sauerstoff die Wirtschaftlichkeit von Wasserstoff erhöhen kann, hatte kürzlich die DWV-prämierte Promotion der Fraunhofer IMWS-Forscherin Dr. Franziska Hönig nahegelegt. Demnach lasse sich der Wasserstoffpreis pro Kilogramm durch den Verkauf des Sauerstoffs um bis zu 45 % senken.
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