Anoder för elektrolytisk klyvning av vatten är vanligtvis iridiumbaserade material. För att öka stabiliteten hos iridiumkatalysatorn har nu ett team på HZB och en grupp på HI-ERN tagit fram ett så kallat materialbibliotek:ett prov där koncentrationen av iridium- och titanoxider systematiskt varieras.
Analyser av de enskilda provsegmenten vid BESSY II i EMIL-laboratoriet visade att närvaron av titanoxider kan öka stabiliteten hos iridiumkatalysatorn avsevärt.
Ett alternativ för att lagra energi från solen eller vinden är produktionen av "grönt" väte genom elektrolys. Vätgas lagrar energi i kemisk form och släpper ut den igen vid förbränning, och producerar inga avgaser, bara vatten. Idag är iridium den senaste katalysatorn för denna reaktion. Iridium löses dock alltmer i den sura miljön i elektrolyscellen så att den katalytiska effekten snabbt avtar.
"Vi ville undersöka om stabiliteten hos katalysatorn kan förbättras genom att tillsätta olika proportioner titanoxid", säger Prof Dr Marcus Bär (HZB). Även om titanoxid inte är katalytiskt aktiv, är den mycket stabil. "Vi hade några indikationer på att närvaron av titanoxid skulle ha en positiv effekt på stabiliteten utan att påverka den katalytiska effekten av iridium. Men vi ville också ta reda på om det finns ett idealiskt blandningsförhållande."
Provet producerades vid Helmholtz Institute Erlangen-Nuremberg for Renewable Energies (HI-ERN) av prof Dr. Olga Kasians team genom att sputtera titan och iridium med lokalt varierande sammansättningar. Det är ett så kallat tunnfilmsmaterialbibliotek där iridiumhalten varierar från 20 % till 70 %
På BESSY II; teamet använde röntgenspektroskopiska metoder för att analysera hur den kemiska strukturen förändras beroende på iridiumhalten i de blandade iridium-titanoxidproverna. Flera effekter spelade en roll här:till exempel närvaron av titansuboxider (som TiO och TiOx ) förbättrade materialets konduktivitet.
Ett annat spännande resultat var att en del av titanoxiderna löses upp snabbare i den vattenhaltiga elektrolyten än iridium, vilket skapar mikroporer på ytan. Detta främjade syreutvecklingsreaktionen eftersom fler iridiumatomer från de lägre skikten kom i kontakt med elektrolyten.
Huvudeffekten är dock att titanoxider (TiO2 , samt TiO och TiOx ) avsevärt minska upplösningen av iridium. "I provet med 30 % titan tillsatt jämfört med ett rent iridiumelektrodmaterial såg vi en iridiumupplösning som var cirka 70 % lägre", säger Marianne van der Merwe, som genomförde mätningarna som en del av sin doktorsexamen med Marcus Bär.
Men hur relevanta är sådana resultat från laboratorieforskning för industrin? "Om det redan finns etablerade tekniker är det alltid svårt att ändra något i början", säger Marcus Bär. "Men här visar vi hur stabiliteten hos anoderna kan ökas avsevärt med en hanterbar mängd ansträngning."
Studien är publicerad i tidskriften ACS Catalysis .
Mer information: Marianne van der Merwe et al, The Chemical and Electronic Properties of Stability-Enhanced, Mixed Ir-TiOx Oxygen Evolution Reaction Catalysts, ACS Catalysis (2023). DOI:10.1021/acscatal.3c02948
Journalinformation: ACS Catalysis
Tillhandahålls av Helmholtz Association of German Research Centers
