Iridium är en idealisk katalysator för elektrolytisk produktion av väte från vatten - men det är extremt dyrt. Men nu gör en ny typ av elektrod gjord av mycket poröst material ett utmärkt jobb med bara en antydan av iridium.

I dag, den kungliga vägen till effektiv elektrolys av vatten för produktion av vätgas i så kallade proton exchange membrane (PEM) elektrolysörer är att minska mängden katalytiskt högaktivt men skrämma ädelmetalliridium och samtidigt upprätthålla väteproduktionen. I denna typ av elektrolyscell migrerar vätejonerna via ett protonutbytesmembran från den syreproducerande anoden till den väteproducerande katoden. Den membranbaserade tekniken erbjuder många fördelar. Det katalysatorbelagda membranet i sig är mycket tunt, vilket gör själva elektrolyscellen liten och mer mångsidig, och frånvaron av en flytande elektrolyt innebär att hela systemet praktiskt taget inte kräver något underhåll. Sådana celler tillåter också väteproduktion vid förhöjda tryck, vilket underlättar och minskar energibehovet för ytterligare lagring som komprimerad gas. Äntligen är dynamisk lastdrift möjlig med PEM-tekniken för att reagera på fluktuationer i tillgänglig ström inom några sekunder, vilket gör den lämplig för koppling till förnybara energikällor.

Men tekniken har också en stor nackdel. Bildandet av syre vid anoden är beroende av användningen av iridiumoxid (IrO2) som katalysator. IrO2 är en mycket stabil och effektiv promotor för denna reaktion. Problemet är att iridium i sig är ovanligare än guld eller till och med platina, och den är minst lika dyr som den senare. Många försök har gjorts för att hitta ett alternativ, men inget som ännu testats närmar sig den långsiktiga stabiliteten och katalytiska aktiviteten hos iridiumoxid.

Bara en skvätt iridium räcker

Nu LMU-baserade kemister involverade i Cluster of Excellence e-konvertering, i samarbete med ett team på Forschungszentrum Jülich, har lyckats öka utbytet av väte med en faktor åtta (i förhållande till en kommersiell referenselektrod) genom att använda ett nytt och mycket poröst material som katalysator. Denna framgång innebär att det borde vara möjligt att utveckla en elektrolytisk cell som uppnår samma effektivitet som nuvarande iridiumbaserade system men som bara kräver 10 % så mycket iridium.

Den nya elektroden utvecklades inom ramen för Kopernikus Power-2-X Research Network, som finansieras av det federala ministeriet för utbildning och forskning. Dess design- och prestandaegenskaper beskrivs i en artikel publicerad i tidskriften Avancerade funktionella material . Systemet använder sig av ett nytt oxidiskt underlag med hög porositet på vilket iridium kan fördelas jämnt som en tunn film, som är lättillgänglig för vattenmolekyler och uppvisar hög katalytisk aktivitet.

Laddar katalysatorn i varje enskild por

Teamet syntetiserade först nanostrukturerade och ledande antimondopade tennoxidmikropartiklar. Dessa partiklar ger en mycket porös ställning för bindning av iridiumkatalysatorn. De beredde sedan en vattenhaltig kolloidal suspension av iridiumoxidnanopartiklar, som laddades in i de porösa mikropartiklarna med hjälp av en solvotermisk reaktion vid hög temperatur och högt tryck. Detta resulterade i reduktionen av iridiumoxidpartiklarna till metallisk Ir. Ett sista termiskt oxidationssteg ledde sedan till bildandet av nanopartiklar av iridiumoxid i porerna i den metalliska ställningen. Efterföljande svepelektronmikroskopi bekräftade att varenda hålighet i ställningen var belagd med en tunn film av katalysatorn. – Och faktiskt, elektroder belagda med det nya materialet klarade det sista testet med glans. När det gäller aktivitet, dvs generering av väte, effektiviteten per gram bundet iridium översteg den för en kommersiellt tillgänglig PEM med inte mindre än åtta gånger.

Som tidningens första författare Daniel Böhm påpekar, syntesförfarandet har en stor fördel. "Vi kan nu fokusera på att optimera varje parameter individuellt. De relevanta faktorerna som kan justeras inkluderar sammansättningen, materialets struktur och porstorlek, dess ledningsförmåga och nivån av belastning med iridium. I slutändan kommer vi att få en mycket aktiv, helt optimerat system. Alla steg i den syntetiska vägen är också kompatibla med kraven från industriell produktion, så metoden kan vara mogen för teknisk tillämpning inom en relativt kort tid."

Materialet som för närvarande används i kommersiella elektrolysatorer måste uppfylla mycket höga krav för att garantera stabil drift under många år. Kommande projekt som kommer att ta itu med denna fråga är redan planerade, säger prof. Dina Fattakhova-Rohlfing vid Forschungszentrum Jülich. "Först, vi vill syntetisera ännu mer stabila katalysatorer med hjälp av nya nanoarkitekturer. Och sedan skulle vi vilja undersöka hur egenskaperna hos dessa material beter sig när de utsätts för driftsförhållanden under längre tidsperioder."