Energie
Nicht‑edle Katalysatoren ebnen den Weg für erschwinglichen Wasserstoff
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Während die Welt von fossilen Brennstoffen wegsteigt, um die globale Erwärmungskrise zu mildern, gewinnt Wasserstoff als das ‘Kraftstoff der Zukunft’ an Aufmerksamkeit.
Dies liegt an mehreren Gründen, darunter ein Überfluss an Wasser, höhere Energieausbeute, die nur Wasser als Nebenprodukt erzeugt, und minimale oder keine Treibhausgasemissionen (THG). Diese Eigenschaften machen sauberen Wasserstoff in einer Vielzahl von Anwendungen nutzbar, wie Transport, Stromerzeugung, Heizung und Industrie, einschließlich Stahl, Chemie und Zement.
Obwohl Wasserstoff ein enormes Potenzial zur Dekarbonisierung unserer Gesellschaft zeigt, stammt der größte Teil des heute erzeugten H2 aus fossilen Brennstoffen (Methan), was zu erheblichen CO2-Emissionen führt. Das bedeutet, dass skalierbare Alternativen zur Produktion von grünem und sauberem Wasserstoff benötigt werden.
Infolgedessen konzentriert sich die laufende Forschung darauf, effiziente und umweltfreundliche Methoden zur Erzeugung von Wasserstoff zu finden.
HER: Ein vielversprechender Weg für die Produktion von grünem Wasserstoff
Ein vielversprechender Ansatz zur Erzeugung von grünem Wasserstoff, der erhebliche Aufmerksamkeit erlangt hat, ist die Wasserelektrolyse.
Eine Schlüsselreaktion, die bei der Elektrolyse von Wasser zur Wasserstoffproduktion stattfindet, ist die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER), ein grundlegender Prozess in der Elektrochemie.
Die Elektrolyse von Wasser bedeutet einfach, Strom zu nutzen, um Wasser in Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2) zu spalten, was eine effiziente und saubere Methode zur großskaligen Erzeugung von Wasserstoff liefert.
Dank seines geringen ohmschen Verlusts (der als Wärmeenergie verloren geht, wenn elektrische Ladungen durch ein Medium fließen), hoher Stromdichte und niedriger Gasdurchlässigkeit ermöglicht die Übertragung des HER‑Prozesses vom Labormaßstab auf kommerzielle Protonenaustauschmembran‑(PEM‑)Wasserelektrolyseure einen nachhaltigen Weg zu grünem Wasserstoff.
Bei der PEM‑Elektrolyse wird Wasserstoff durch Spaltung von Wasser mithilfe von Strom und einem festen Polymer‑Elektrolyten erzeugt. In diesem Prozess wird zunächst Strom angelegt, um Wassermoleküle in Wasserstoffionen (Protonen), Elektronen und Sauerstoff zu zerlegen. Die Protonen wandern dann durch die Membran, ein protonenleitendes Polymer, das Anode und Kathode trennt, während die Elektronen über einen externen Stromkreis fließen.
An der Anode wird das Wassermolekül oxidiert und erzeugt ausschließlich Sauerstoff, Protonen und Elektronen. An der Kathode verbinden sich Protonen und Elektronen zu Wasserstoffgas.
Dieses Verfahren wird verwendet, um Wasserstoff für Brennstoffzellen zu produzieren und kommt zudem in verschiedenen industriellen Prozessen wie Düngemittelherstellung, Erdölraffination und Petrochemie zum Einsatz.
Das Problem liegt jedoch in den rauen Arbeitsbedingungen, wie der stark reduktiven sauren Elektrolyt‑Katalysator‑Schnittstelle. Diese Umgebung führt dazu, dass kommerzielle PEM‑Elektrolyseure eine Platin‑(Pt‑)Kathode verwenden müssen, die nicht reichlich vorhanden und daher kostspielig ist, um eine hohe Aktivität zu erhalten.
Die harten Bedingungen machen solche Kathoden (auf Basis von unedlen Metallen) für Protonenaustauschmembran‑(PEM‑)Elektrolyseure ungeeignet.
Die breite Anwendung von PEM in der realen Welt, die im Terawatt‑Bereich liegt, erfordert günstige Katalysatoren, um edle Metalle zu ersetzen. Während die Suche nach solchen unedlen Metall‑Kathoden, die für die PEM‑Kommerzialisierung geeignet sind, weitergeht, bleibt sie herausfordernd.
Hier haben Übergangsmetallphosphide (TMPs) als HER‑Katalysatoren vielversprechend gezeigt, doch ihre Verwendung zum Ersatz edler Metalle befindet sich noch in den Anfängen. Ein Hauptgrund dafür ist das fehlende Verständnis der Toleranz unter rauen Arbeitsbedingungen sowie die Überwachung der Drehungen aktiver Stellen während des Wasserstoffgenerierungsprozesses.
Strategie zur Oberflächenrekonstruktion erzeugt erschwinglichen Wasserstoff
Kürzlich wurde berichtet, dass die Verwendung von CoP‑Nanopartikeln als Kathoden problemlos in industrielle PEM‑Wasserelektrolyseure integriert werden kann, was ihr kommerzielles Anwendungspotenzial demonstriert.
Das Problem besteht jedoch darin, die HER‑Reaktion von einem Laborexperiment auf die großskalige kommerzielle Produktion zu skalieren und dabei die Kosten niedrig zu halten, was die neueste Studie erreicht hat.
Laut Ergebnissen, die im April 2025 in Advanced Energy Materials veröffentlicht wurden1 hat ein Forscherteam der Tohoku‑Universität die erweiterte Nutzung einer CoP|F‑Kathode (F‑modifiziertes CoP) vom Labormaßstab (0,2 cm²) bis zu einem kommerziellen PEM‑Elektrolyseur (38 cm²) demonstriert.
Bei der Suche nach überlegener HER‑Leistung stellten die Forscher fest, dass der Weg der Oberflächenrekonstruktion langlebige Kathoden auf Basis unedler Metalle erzeugen kann, die die HER verbessern.
Diese Kathoden können ihre Leistung über 300 Stunden hinweg aufrechterhalten. Darüber hinaus lag die vom Team berechnete Kosten nahe am für 2026 festgelegten H2‑Produktionsziel des US‑Energieministeriums, das bei 2,00 $ pro kg H2 liegt.
Um die von Natur aus langsame und ineffiziente HER‑Reaktion zu beschleunigen, wandte das Team TMPs an. Übergangsmetallphosphide sind ein kostengünstiges und langlebiges unedles Metall. Sie sind ein vielversprechender Katalysator mit einer einzigartigen elektronischen Struktur und hoher katalytischer Aktivität, was die Effizienz der HER verbessert.
Da für diesen Zweck typischerweise edle Metalle verwendet werden, glauben die Forscher, dass es eine Wissenslücke bezüglich unedeler Metalle gibt, die geschlossen werden muss.
Ein unedler Metallkatalysator bezeichnet ein alternatives Material, das im Vergleich zu edlen Metallen kostengünstig und reichlich verfügbar ist. Diese unedlen Metallkatalysatoren bieten anpassbare Reaktivität, das heißt, sie können nach Bedarf modifiziert werden, um Stabilität, Selektivität und Aktivität in verschiedenen katalytischen Prozessen zu steigern.
Das Team bereitete also das F‑modifizierte CoP vor und nutzte anschließend die operando Röntgen‑Absorptionsspektroskopie (XAS) und Raman‑Messungen, um verschiedene Eigenschaften zu bewerten, wie Oberflächenrekonstruktion und wahre aktive Stellen.
Die Ergebnisse bestätigten, dass das Hinzufügen von Fluor zum CoP1‑x‑Gitter die Auflösung von Co‑P‑Bindungen fördern kann, was zur Rekonstruktion von amorphem metallischem Co führt. Die Bildung von Phosphor‑(P‑)Lückenstellen auf der Oberfläche erzeugt mehr aktive Stellen, was die HER beschleunigt.
Die rekonstruierte Oberfläche zeigt hohe Aktivität und Toleranz an der reduktiven sauren Elektrolyt‑Katalysator‑Schnittstelle. Bemerkenswert ist, dass die CoP|F‑Kathode in einem kommerziellen PEM‑Elektrolyseur eine Leistung erbringt, die mit dem fortschrittlichen Pt/C‑Katalysator vergleichbar ist, und das zu Kosten von nur 2,17 $ pro kg H2‑1.
„Dieses rekonstruierte Co ist hochaktiv, funktioniert unter sauren Bedingungen und kann etwa 76 W über 300 Stunden hinweg aufrechterhalten“, sagte Heng Liu, Assistenzprofessor am Advanced Institute for Materials Research (WPI‑AIMR). „Wir nähern uns einer erschwinglichen Methode zur Kraftstoffproduktion“, fügte er hinzu und bemerkte, dass die Kosten lediglich 17 Cent über dem aktuellen Produktionsziel für 2026 liegen.
Mit diesen beeindruckenden Ergebnissen hoffen die Forscher, einen Weg der Oberflächenrekonstruktion zu bieten, der hoch effiziente, kostensparende und langlebige Kathoden auf Basis unedeler Metalle für kommerzielle PEM‑Elektrolyseure ermöglicht.
Wichtiger ist, dass das Setup nicht nur im Labormaßstab mit drei Elektroden getestet wurde, sondern tatsächlich auf ein kommerzielles Niveau ausgeweitet wurde. Und mit diesem rationalen Design für brandneue Kathoden, die als Grundlage für andere unedle Metall‑Kathoden dienen könnten, überbrückt die Studie potenziell die Lücke vom Labor zur Fabrik.
„Wir denken stets an das Endziel, nämlich dass Forschung in den Alltag gelangt. Dieser Fortschritt bringt uns einen Schritt näher, realistischere Optionen für kommerzielle PEM‑Anwendungen zu entwerfen.“
– Liu
Fortschritte in der sauberen Wasserstoffproduktion
Da Wasserstoff als vielversprechende saubere und erneuerbare Energiequelle auftritt, liegt derzeit ein großer Fokus auf der effizienten Produktion von Wasserstoff, die den Bedarf im kommerziellen Maßstab decken kann, wobei das Interesse an stromgetriebener Wasserspaltung zunimmt.
Die Wasserelektrolyse lässt sich in zwei Reaktionen aufteilen: die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER), bei der Wasser an der Kathode reduziert wird, um Wasserstoff zu erzeugen, und die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER), bei der Wasser an der Anode oxidiert wird, um O2 zu produzieren. In beiden Fällen spielt die Katalyse eine zentrale Rolle, was einen Bedarf an hocheffektiven Katalysatoren zur effizienten Erzeugung von H2 und O2 schafft.
Erst diesen Monat schlugen die Forscher der AIMR, Tohoku University, in einer weiteren Studie einen neuartigen Katalysatorrahmen vor, der einen potenziellen Ansatz für kostengünstige Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse bietet. Der Fokus lag hier jedoch auf der OER.
Das Material konzentriert sich auf mesoporöses (poröse Materialien mit Porengrößen von 2–50 nm) einkristallines Co3O4 (Kobalt(II, III)-Oxid), das mit atomar dispergiertem Iridium (Ir) dotiert ist und für die saure OER konzipiert wurde.
Obwohl Ir für seine OER‑Leistung bekannt ist, ist es selten und teuer. Zudem stellt die effiziente Nutzung von Iridium bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Stabilität eine Herausforderung bei der Skalierung der Technologie dar. Daher präsentiert die Studie eine Lösung durch ein Material, das die Effizienz auf atomarer Ebene maximiert.
Mit einer mesoporösen Spinel‑Struktur kann der Katalysator eine hohe Ir‑Beladung (13,8 wt %) aufweisen, ohne große Iridium‑Cluster zu bilden, wodurch Co‑Ir‑Brückensites entstehen. Unter sauren OER‑Bedingungen zeigten diese Stellen eine hohe inhärente Aktivität.
Zur Analyse kombinierte die Forschung experimentelle Daten mit computergestützter Modellierung, die nahelegt, dass Sauerstoff‑Zwischenprodukte (O*) die Co3O4‑Oberflächen vollständig bedecken. Dies passiviert im Allgemeinen die Co‑Stellen, doch die Ir‑Dotierung reaktiviert die Stellen und verbessert gleichzeitig die strukturelle Integrität des Katalysators.
Diese Studie reduzierte die Ir‑ und Co‑Verluste auf etwa ein Viertel bzw. ein Fünftel. Darüber hinaus hielt der Katalysator seine Leistung über mehr als 100 Stunden aufrecht.
„Die mesoporöse Architektur spielt eine entscheidende Rolle. Sie bietet Raum für die Ladung einzelner Ir‑Atome und hilft, ein stabiles Umfeld für die katalytische Aktivität zu schaffen.“
– Studienleiter Professor Hao Li
Der Fokus zukünftiger Arbeiten wird darauf liegen, das Dotierungsniveau anzupassen, den Prozess zu skalieren und anschließend in kommerzielle Elektrolysesysteme zu integrieren.
Eine weitere Studie, die einen wirtschaftlichen Iridium‑Katalysator untersuchte, stellte fest, dass die Analyse zeigt, dass zur Deckung des weltweiten Wasserstoffbedarfs im Verkehr mittels Protonenaustauschmembran‑Wasserelektrolyse (PEM‑WE) Iridium‑basierte Anodenmaterialien von weniger als 0,05 mg Ir/cm² erforderlich sind. Die derzeit besten auf dem Markt erhältlichen Katalysatoren aus Iridiumoxid enthalten jedoch etwa das 40‑fache davon.
Das Gute ist, dass bereits Lösungen dafür entwickelt werden. Das Kopernikus‑P2X‑Projekt der Heraeus‑Gruppe entwickelt einen neuen, effizienten Iridium‑basierten Nanokatalysator, der aus einer dünnen Schicht Iridiumoxid (IrO2) auf einem nanoskaligen Titandioxid‑(TiO₂‑)Träger besteht.
Der P2X‑Katalysator zeigt bemerkenswerte Stabilität selbst im Langzeitbetrieb und übertrifft den kristallineren Referenzkatalysator.
Neben der Arbeit an verschiedenen Techniken, um die Wasserstoffproduktion kostengünstig, skalierbar und umweltfreundlich zu gestalten, erforschen Wissenschaftler weltweit auch Möglichkeiten, ihn effizient zu speichern, um die Einführung von sauberem Wasserstoff in der Praxis zu unterstützen.
Anfang dieses Jahres demonstrierte ein Wissenschaftlerteam mit Unterstützung des US‑Energieministeriums eine neue Methode, flüchtigen Wasserstoff zu speichern und freizusetzen. Dies adressiert eine der größten Herausforderungen bei der Nutzung von Wasserstoff als Brennstoffquelle: die hohen Kosten und die Ineffizienz von Lagerung und Transport aufgrund seiner geringen Dichte und explosiven Natur.
Was die Wissenschaftler hier taten, war die Entwicklung einer Art lignin‑basiertem Jet‑Treibstoff, der Wasserstoff chemisch in einer stabilen flüssigen Form binden kann. Diese Technologie, so Professor Bin Yang von der Washington State University, „könnte eine effiziente, hochdichte Wasserstoffspeicherung in einem leicht handhabbaren nachhaltigen Flugkraftstoff ermöglichen und die Notwendigkeit von Druckbehältern für Lagerung und Transport eliminieren.“
Der neue Prozess nutzte chemische Reaktionen, die aromatische Kohlenstoffe und Wasserstoff aus dem im Labor entwickelten experimentellen ligninhaltigen Jet‑Treibstoff erzeugten. Lignin, das in Pflanzen vorkommt, ist ein natürliches Polymer und das zweithäufigste Material auf der Erde.
In den nächsten Schritten werden die Forscher einen KI‑gesteuerten Katalysator entwerfen, um die Reaktionen zu verbessern und sie effizienter sowie kostengünstiger zu machen.
Innovatives Unternehmen
Cummins Inc (CMI )
Der globale Anbieter von Energielösungen, Cummins Inc., operiert in verschiedenen Segmenten, darunter Motoren, Komponenten, Vertrieb, Energiesysteme und Accelera.
Das Unternehmen erforscht und nutzt umfassend die Wasserstoff‑Motortechnologie, um eine nachhaltige Zukunft zu gestalten. Cummins trat 2019 erstmals in die Wasserstoff‑Wirtschaft ein, indem es Hydrogenics, einen Hersteller von Wasserstoff‑Brennstoffzellen und Elektrolyseuren, übernahm. Seitdem hat es kontinuierliche Fortschritte erzielt.
Dazu gehört die Einführung von 15‑L‑Wasserstoff‑ICE und 15‑L‑Erdgasantrieben. Cummins’ Portfolio umfasst zudem Wasserstoffspeicherlösungen und die Entwicklung von Brennstoffzellentechnologie.
Vor einigen Jahren begann Accelera ebenfalls mit der Produktion von Elektrolyseuren in Minnesota, seiner ersten Elektrolyseur‑Produktionsstätte in den USA.
„Großskalige Elektrolyse zur Erzeugung von grünem Wasserstoff ist ein entscheidender Baustein bei der Dekarbonisierung von Verkehr und Industrie.“
– damalige Präsidentin von Accelera, Amy Davis.
Im März 2025 wurde Cummins gleichzeitig Gründungsmitglied der Hydrogen Engine Alliance of North America (H2EA‑NA), einer Initiative von Experten aus Wissenschaft, Regierung und Verkehrsindustrie, um Wasserstoff‑Verbrennungsmotoren (H2‑ICE) und deren Anwendung in Schiffsmotoren sowie auf‑ und abseits der Straße eingesetzten Fahrzeugen und Geräten zu fördern.
Bezüglich der Marktperformance des Unternehmens verzeichnen Cummins‑Aktien seit über zwei Jahrzehnten einen starken Aufwärtstrend. Dieser Weg war von Rückschlägen begleitet, die Anlegern eine gute Kaufgelegenheit boten. Der fast 16 %ige Rückgang der Cummins‑Aktien in diesem Jahr könnte auf ähnliche Weise betrachtet werden.
CMI Preisdiagramm
Zum Zeitpunkt dieses Schreibens werden CMI‑Aktien zu $294,16 gehandelt, was die Marktkapitalisierung von Cummins auf $40,38 Mrd. setzt. Damit hat das Unternehmen ein EPS (TTM) von 28,17, ein KGV (TTM) von 10,41 und eine Eigenkapitalrendite (ROE) (TTM) von 41,27 %. Interessanterweise bietet Cummins zudem eine Dividendenrendite von 2,48 %, was es zu einer potenziell attraktiven Investitionsmöglichkeit macht.
Was die Finanzen betrifft, so blieb der Umsatz im Jahr 2024, das das Unternehmen als „transformativ“ bezeichnete, weil es „signifikante Fortschritte bei der Umsetzung unserer Destination‑Zero‑Strategie“ erzielt und „rekordverdächtige Ergebnisse“ geliefert hat, bei $34,1 Mrd. unverändert.
Dies war das Ergebnis von Verkäufen in Nordamerika, die um 1 % stiegen, obwohl die Nachfrage nach schweren Lastkraftwagen zurückging, und internationalen Einnahmen, die im Vergleich zum Vorjahr um 1 % fielen. Ein Grund dafür war Atmus Filtration Technologies (ATMU ), das sich im letzten Jahr von Cummins (CMI ) abgespalten hat, um ein vollständig unabhängiges Unternehmen zu werden. Zusätzlich durchlief Accelera eine Reorganisation, die zu Kosten führte, weil beschlossen wurde, die Abläufe zu straffen und Investitionen zu fokussieren.
Der Nettogewinn von Cummins für das Gesamtjahr 2024 betrug $3,9 Mrd., bzw. $28,37 pro verwässerter Aktie, was dank des Gewinns aus der Abspaltung von Atmus deutlich anstieg.
Für dieses Jahr prognostiziert Cummins einen Umsatz im Bereich von -2 % bis +3 % aufgrund einer „leicht schwächeren“ Nachfrage, die in Nordamerika erwartet wird. Dennoch betonte das Unternehmen sein langfristiges strategisches Ziel, 50 % des operativen Cashflows an die Aktionäre zurückzugeben.
Im Jahr 2024 erhöhte Cummins tatsächlich zum 15. Mal in Folge die Bardividende, wodurch $969 Mio. über Dividenden an die Aktionäre zurückflossen.
Weitere Entwicklungen des Unternehmens im vergangenen Jahr umfassen die Einführung der Cummins‑HELM‑(Higher Efficiency, Lower Emissions and Multiple Fuels) Motorplattform, die in den B‑, X10‑ und X15‑Serien umgesetzt wurde, sowie die Markteinführung eines neuen Motors ausschließlich für die neue Mittel‑Lastkraftwagen‑Baureihe des japanischen Automobilherstellers Isuzu.
Zudem gründeten Accelera, EVE Energy, Daimler Trucks & Buses und PACCAR (PCAR ) ihr Joint‑Venture namens Amplify Cell Technologies, um die Batteriezellproduktion und die Batterielieferkette in den USA zu lokalisieren. Amplify hat bereits mit dem Bau einer 21 GWh‑Fabrik begonnen, die die Produktion im Jahr 2027 aufnehmen soll.
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Fazit
Eine vielversprechende Alternative zu fossilen Brennstoffen ist sauberer Wasserstoff. Dieser kritische Baustein der globalen Dekarbonisierungsstrategie bietet eine hohe Energiedichte, nicht‑verschmutzende Nebenprodukte und Vielseitigkeit in verschiedenen Sektoren, wodurch die Entwicklung kostengünstiger Methoden zur Wasserstoffproduktion entscheidend wird.
Die PEM‑Elektrolyse ist ein solcher Ansatz, der die weltweiten Bemühungen zur Energiewende voranbringen kann. Hier ersetzen Forscher der Tohoku‑Universität teure Platin‑Katalysatoren durch oberflächenmodifizierte unedle Metall‑Alternativen, was einen wichtigen Schritt zur kommerziellen Realisierbarkeit von sauberem Wasserstoff darstellt.
Seine Kostenvorteile liegen nahe am Kostenziel des US‑DOE, und die Skalierung der CoP|F‑Kathode in realen PEM‑Elektrolyseuren zeigen, dass wir möglicherweise sauberen Wasserstoff als Massenmarkt‑Lösung für den globalen Energiebedarf freischalten!
Studien zitiert:
1. Wu, R., Liu, H., Xu, J., Qu, M.-R., Qin, Y.-Y., Zheng, X.-S., Zhu, J.-F., Li, H., Su, X.-Z., & Yu, S.-H. (2025). Oberflächenrekonstruktion aktiviert unedle Metall‑Kathode für Protonenaustauschmembran‑Wasserelektrolyseur. Advanced Energy Materials, 15(10), 2405846. https://doi.org/10.1002/aenm.202405846
