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Forschung
Mehr Wasserstoff durch ultradünne Schicht
Forschung
Mehr Wasserstoff durch ultradünne Schicht
Christoph Bäumer entwickelt Katalysatoren für die Wasserstofferzeugung. Dazu benötigt er sieben Schritte, wie er in unserem Jülich-Blog erklärt: fzj.de/woran-forscht-baeumer
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Ein unerwarteter Effekt könnte helfen, Wasserstoff künftig deutlich kostengünstiger herzustellen.
Wird Wasser in einer Elektrolyse-Anlage mithilfe von Strom aus erneuerbaren Quellen klimaneutral gespalten, entsteht sogenannter „grüner Wasserstoff“. Dieser gilt als wichtiger Baustein der Energiewende, unter anderem, weil darin Wind- oder Sonnenenergie gespeichert und bei Bedarf wieder freigesetzt werden kann. Wasserstoff herzustellen, ist allerdings teuer. Das behindert dessen breite Verwendung. Forschende aus Jülich, Aachen, Stanford und Berkeley haben einen Effekt entdeckt, mit dessen Hilfe die Menge des erzeugten Wasserstoffs in einem Modellsystem verdoppelt werden kann – ohne dass sich dabei Energiebedarf und Kosten erhöhen. Ursache ist eine gerade mal 200 milliardstel Millimeter dünne Schicht.
Bild oben: Christoph Bäumer entwickelt Katalysatoren für die Wasserstofferzeugung. Dazu benötigt er sieben Schritte, wie er in unserem Jülich-Blog erklärt: fzj.de/woran-forscht-baeumer
AUF DIE OBERFLÄCHE ACHTEN
Dabei handelt es sich um die oberste Schicht einer Elektrode: Wasserstoff entsteht bei der Elektrolyse an der negativ geladenen Elektrode (Kathode), während sich an ihrem positiven Gegenstück (Anode) Sauerstoff bildet. Beide Vorgänge können nur gemeinsam ablaufen, sodass eine erleichterte Bildung von Sauerstoff die Wasserstoffproduktion vermehrt.
Lanthannickelat (LaNiO3) ist ein etablierter Katalysator, der diese elektrolytische Bildung von Sauerstoff begünstigt. In seiner Kristallstruktur wechseln sich Nickeloxid- und Lanthanoxid-Schichten ab. Normalerweise ist es Zufall, welche Schicht die Oberfläche der Anode bildet. Das deutsch-amerikanische Forscherteam hat ein Verfahren entwickelt, mit dem es genau einstellen kann, ob eine Schicht aus Lanthanoxid oben liegt oder eine Schicht aus Nickeloxid.
Blick in die Elektrolysezelle
Nickeloxid-Schicht
Lanthanoxid-Schicht
Wasserstoff
Sauerstoff
Oberfläche der Anode: Nickeloxid
Oberfläche der Anode: Lanthanoxid
An der Anode mit Nickeloxid-Oberfläche (links) entsteht doppelt so viel Sauerstoff wie an der Lanthanoxid-Variante (rechts). Es bildet sich auch mehr Wasserstoff an der Kathode, da die Prozesse gekoppelt sind.
„Überraschenderweise macht das einen gewaltigen Unterschied“, sagt der Physiker Dr. Christoph Bäumer vom Peter Grünberg Institut (PGI-7), der sowohl in Jülich und Aachen als auch in den USA an den Forschungsarbeiten wesentlich beteiligt war. Die Forschenden stellten fest, dass eine Anode mit Nickeloxid-Oberfläche in der gleichen Zeit doppelt so viel Sauerstoff produziert wie die andere Variante. Der Grund: Während der Elektrolyse entsteht nur bei ihr eine ungeordnete, katalytisch sehr aktive Schicht, die die Sauerstoffbildung begünstigt.
„Unsere Ergebnisse sind erst einmal Grundlagenforschung. Aber sie deuten darauf hin, dass man bei der Entwicklung von besseren Katalysatoren auch bei anderen Materialien beachten muss, dass die oberste atomare Lage entscheidend für die elektrochemischen Prozesse sein kann, die unter Betriebsbedingungen ablaufen“, so Bäumer.
Frank Frick
Bild: Forschungszentrum Jülich/Sascha Kreklau, Illustrationen: SeitenPlan