Platinfreier Wasserstoffkatalysator: Ein Quantensprung in der sauberen Energietechnologie

Ein sauberer Energiewandel findet weltweit statt, da die sich verschärfende Klimakrise einen dringenden Bedarf an der Dekarbonisierung von Energiesystemen schafft. 

Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen wie Kohle und Öl setzen saubere Energiequellen bei ihrer Produktion keine großen Mengen an Treibhausgasen (THG) wie Methan, CO2, Distickstoffoxid oder anderen Schadstoffen frei und tragen so zu einer gesünderen Umwelt bei.

Interessanterweise kann saubere Energie aus erneuerbaren Quellen wie der Sonne stammen, die sind ständig nachgeliefert und weltweit verfügbar sein, ebenso wie nicht erneuerbare Quellen wie Kernenergie, die endliche Ressourcen (Uran) nutzt.

Im Vergleich zu ihren fossilen Gegenstücken haben saubere Energiequellen zudem geringere Wartungs- und Betriebskosten, was stabilere Preise für Verbraucher ermöglicht.

Damit wächst die Saubere-Energie-Industrie rasant, mit Investitionen in Cleantech-Technologien, die die Umweltbelastung reduzieren und Nachhaltigkeit fördern, und erreicht ein Rekord von 71 Milliarden US‑Dollar im 3. Quartal 2024, laut Deloitte. 

Nun, wenn es um saubere Energiequellen geht, sind dies die prominentesten::

1. Solar – Die Sonneneinstrahlung wird hier genutzt, indem Technologien wie Photovoltaik‑(PV‑)Paneele das Sonnenlicht direkt in Strom umwandeln. Im Jahr 2024 stieg die globale Solarkapazität deutlich an und fügte bemerkenswerte 593 GW Solarpv‑Kapazität hinzu. 
2. Wind – Die kinetische Energie des Windes wird durch Turbinen in Strom umgewandelt. Je nach Standort der Turbinen gibt es zwei Typen: Onshore‑Windenergie, bei der Windparks an Land liegen, und Offshore‑Windenergie, bei der Windparks auf See liegen.
3. Water – Die kinetische Energie fließenden Wassers wird zur Stromerzeugung genutzt, hauptsächlich durch Dämme und Turbinen. Wasserkraft trägt etwa 15% zur gesamten Stromerzeugung bei.
4. Geothermal – Diese Energieform wird durch die innere Erdwärme gewonnen und stammt aus Geothermie‑Kraftwerken, die in unterirdischen Reservoiren liegen.  
5. Biomass – Hier wird organisches Material wie Ernterückstände und Forstabfälle genutzt. 
6. Nuclear  – Es ist die Energie eines Atoms, deren Leistung durch Kernspaltung und Kernfusion gewonnen wird. Laut Deloitte‑Umfrage zu Energie und Versorgungsunternehmen werden fortschrittliche Kerntechnologien in den nächsten Jahren die wichtigste Rolle bei der Deckung des steigenden Strombedarfs spielen.
7. Hydrogen – Wasserstoff wird aus verschiedenen Ressourcen hergestellt und erzeugt in einer Brennstoffzelle nur Wasser. Das US‑Energieministerium (DOE) hat 7 Milliarden US‑Dollar für die Entwicklung von Wasserstoff‑Hubs bereitgestellt.

Wasserstoff als leistungsstarker sauberer Brennstoff

Das allererste Element im Periodensystem, Wasserstoff (H), ist eine farblose, geruchlose, geschmacklose, hochentzündliche und ungiftige gasförmige Substanz. Er ist zudem das einfachste, leichteste und am häufigsten vorkommende Element.

Aber was es extrem attraktiv macht, ist die Tatsache, dass bei der Verbrennung Wasserstoff nur Wasserdampf erzeugt. Wenn er mit erneuerbarer Energie hergestellt wird, kann insbesondere grüner Wasserstoff Sektoren wie Verkehr und Stromerzeugung dekarbonisieren.

Angesichts des steigenden Energiebedarfs der Gesellschaft bietet Wasserstoff eine hocheffiziente saubere Energiequelle, die kann potenziell erzeugt werden aus verschiedenen Quellen. Es ist tatsächlich ein Energieträger, der verwendet werden kann um Energie, die aus anderen Quellen erzeugt wurde, zu transportieren, zu speichern und zu liefern.

Nun, die gängigsten Methoden zur Herstellung von Wasserstoffbrennstoff sind:

1. Thermal Process – Hergestellt durch ein Hochtemperaturverfahren namens Dampfreformierung, entsteht Wasserstoff, wenn Dampf mit kohlenwasserstoffbasierten Brennstoffen wie Erdgas, Diesel, vergastem Kohle, vergastem Biomasse und erneuerbaren flüssigen Brennstoffen reagiert.
2. Electrolytic Process – Wasser (H2O) wird mittels elektrischem Strom in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten. Der Vorgang findet in einem Elektrolyseur statt, wo Strom durch das Wasser fließt und die Moleküle trennt.
3. Solar-driven Process – Licht wird zur Wasserstoffproduktion genutzt und umfasst verschiedene Ansätze, wie photobiologische, photoelektrochemische und solarthermochemische Verfahren. 
4. Biological Process – Wasserstoff wird durch biologische Reaktionen mit Mikroben wie Bakterien und Mikroalgen erzeugt.

Wasserstoff hat ein sehr hohes Potenzial, den sauberen Energiebedarf der Gesellschaft zu decken, doch es gibt noch Herausforderungen, die überwunden werden müssen. Diese umfassen die Massenproduktion, den Transport und die Speicherung. Zudem muss die Wasserstoffproduktion stabil und kostengünstig sein.

Die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) gilt als das umweltfreundlichste und nachhaltigste Verfahren zur Wasserstoffproduktion. Es handelt sich um eine kathodische Reaktion, die die Elektrolyse von Wasser beinhaltet. 

In diesem elektrochemischen Prozess der Wasserspaltung werden Metalle wie Platin, Nickel und andere Übergangsmetalle verwendet als Katalysatoren, die Protonen zu Wasserstoffgas reduzieren.

Das Problem liegt beim am häufigsten für Katalysatoren verwendeten Metall, Platin, das zwar eine sehr effiziente katalytische Leistung bietet, jedoch mit Seltenheit und hohen Kosten konfrontiert ist. Daher richtet sich das Augenmerk zunehmend auf alternative Katalysatoren, um den Verbrauch von Edelmetallen zu minimieren.

Die Rolle von Platin bei der sauberen Wasserstoffproduktion

Ein glänzendes, silbrig-weißes Metall, das manchmal mit Silber verwechselt wird, ist Platin (Pt) entscheidend für das Erreichen des Ziels von Netto-Null-Emissionen. Dieses dichte, formbare und glänzende Metall ist hochreaktionsarm und korrosionsbeständig, selbst bei hohen Temperaturen.

Allerdings ist es ein extrem seltenes Metall, über 30‑mal seltener als Gold, mit einer Konzentration von nur 0,005 ppm in der Erdkruste. Als knappes Metall ist Platin schwer und teuer abzubauen, was ein teureres Endprodukt bedeutet.

Das Metall wird hauptsächlich in Südafrika abgebaut, das über 70 % der globalen Platinversorgung liefert, sowie in Russland, Simbabwe, Kanada und den USA.

Bei den Anwendungsfällen wird Platin verwendet zur Herstellung von Schmuck, aber vor allem in elektronischen Bauteilen und Katalysatoren, um Transportemissionen zu reduzieren. Im Jahr 2022 wurden etwa 85 Tonnen des Metalls ausschließlich für Katalysatoren verwendet. Es entwickelt sich zudem zu einem kritischen Mineral im globalen Energiewandel. 

Das Metall ist besonders wertvoll in Elektrolyseuren, die verschiedene Typen haben, wobei Wasserstoffprojektentwickler die Protonenaustauschmembran‑(PEM‑)Elektrolyse bevorzugen. Als effizientere Alternative zur alkalischen Elektrolyse nutzen PEM‑Elektrolyseure Platin, um extrem leistungsstarke Katalysatoren zu erzeugen. 

Platin wird auch in PEM‑Brennstoffzellen eingesetzt, die wie PEM‑Elektrolyseure, jedoch umgekehrt, funktionieren. Anstatt Wasserstoff und Sauerstoff zu trennen, werden sie mithilfe von Platin als Katalysator kombiniert.

Wasserstoff‑Brennstoffzellen bestehen aus zwei Elektroden – einer Anode (negative Elektrode) und einer Kathode (positive Elektrode) – mit einem Elektrolyten dazwischen. Ein Katalysator, eine Metallschicht wie Platin, an der Anode spaltet Wasserstoffmoleküle in Protonen und Elektronen, die zur Kathode wandern und einen Stromfluss erzeugen.

Die hervorragende Leitfähigkeit und chemische Stabilität von Platin machen es zu einem so hocheffizienten Katalysator. Ihre Effizienz ist entscheidend, um hohe Energieumwandlungsraten in Brennstoffzellen zu erreichen, sodass sie mit traditionellen Energiequellen konkurrieren können. 

Da der Bedarf an Dekarbonisierung weiter steigt, wird die Nachfrage nach Platin voraussichtlich zunehmen, dank der platinbasierten PEM‑Technologien, die das Potenzial haben, 11 % der globalen CO₂‑Emissionen zu reduzieren.

Daher richtet sich weltweit ein wachsendes Augenmerk auf dieses Metall. In den USA beinhaltet der Inflation Reduction Act einen Steuervorteil für kohlenstoffarmen Wasserstoff, um die Produktion von sauberem Wasserstoff und die Einführung von Brennstoffzellen‑EVs zu beschleunigen. Die REPowerEU der Europäischen Kommission strebt hingegen an, die Kapazität von sauberem Wasserstoff bis 2030 auf 80 GW zu verdoppeln.

Dieser globale Vorstoß kann laut dem World Platinum Investment Council die saubere Wasserstoffproduktion bis 2040 zur größten Quelle (35 %) der Platinnachfrage machen.

Neben den unausgeglichenen Nachfrage‑Angebots‑Dynamiken bringt die Verwendung von Edelmetallen wie Platin weitere Herausforderungen mit sich, wie hohe Kosten, mögliche Degradation und Umweltbedenken. Deshalb arbeiten Forschende kontinuierlich an Methoden, Platin als Wasserstoffkatalysator zu entfernen und bessere Alternativen zu finden.

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Herstellung platinfreier Katalysatoren

Im Streben nach platinfreiem Wasserstoff führen Forscher der UNSW Sydney eine Studie durch, um die mit der Verwendung des Edelmetalls in Wasserstoff‑Brennstoffzellen verbundenen Probleme zu adressieren. 

Die Forscher entwickelten eine neue Technik, um zu verstehen, warum einige Katalysatormaterialien weniger stabil sind als Pt, was anderen Forschern helfen wird, neue Materialien zu entwickeln und die Zukunft Aussichten platinfreier Katalysatoren in Wasserstoff‑Brennstoffzellen zu verbessern.

Die entwickelten Techniken zeigten, dass bis zu 75 % der eisenbasierten aktiven Stellen in der Brennstoffzelle in den ersten 10 Stunden Betrieb inaktiv wurden. Dies lag hauptsächlich am Verlust der Eisen‑Aktivstellen, wobei Korrosion des Kohlenstoffs ein weiterer Grund war. 

In einer separaten Studie¹, entdeckten Forscher der University of Wisconsin-Madison, der Cornell University und der Wuhan University eine neue Methode, die Reaktion zu katalysieren, um Wasserstoff‑Brennstoffzellen herzustellen.

Die Forscher verwendeten preiswertes, nicht‑edelmetallisches Nickel für sowohl die Kathoden‑ als auch die Anodenelektroden der Brennstoffzelle. Der nickelbasierten Elektrokatalysator wurde entworfen mit einer 2‑Nanometer‑Hülle aus stickstoffdotiertem Kohlenstoff.

Das Einbetten einzelner Nickel‑Atome in einen graphene‑ähnlichen Mantel aus Kohlenstoff‑ und Stickstoffatomen machte sie oxidationsbeständig und bindete Wasserstoffatome mit der idealen Stärke, die für eine effektive Wasserstoffoxidationsreaktion (HOR) erforderlich ist.

So entstand mit einem Anodenkatalysator aus einem festen Nickelkern, umhüllt von einer Kohlenstoffhülle, und einer Kathode aus Kobalt‑Mangan ein Wasserstoff‑Brennstoffzelle ohne Edelmetalle, die eine Leistung von über 200 mW/cm² erreichte.

Im Jahr 2020 fanden Wissenschaftler des Argonne National Laboratory des DOE und entwickelten den vielversprechendsten platinfreien Katalysator für Wasserstoff‑Brennstoffzellen, die auf der Sauerstoff‑Reduktionsreaktion (ORR) basieren. Er basierte auf Eisen, Stickstoff und Kohlenstoff, die gemischt und zwischen 900 und 1100 °C in der Pyrolyse erhitzt wurden.

Dann wurden die Eisatom des Materials mit Stickstoffatomen verbunden und in Graphen eingebettet. Hier stellt jedes Eisenatom eine Stelle dar, an der die ORR stattfinden kann, wodurch die Elektrode effizienter wird.

Angesichts des wachsenden Interesses, die Abhängigkeit von teurem Platin zu reduzieren und die Effizienz sowie Kosteneffektivität von Wasserstoff‑Brennstoffzellen und Elektrolyse zu verbessern, haben Wissenschaftler nun einen palladiumbasierenden Nanoschicht‑Katalysator entwickelt, dessen Leistung mit der von Platin bei der Wasserstoffproduktion vergleichbar ist.

Palladium als Alternative zu Platin für erschwinglichen Wasserstoff

Die neueste² Studie stammt von Forschern der Tokyo University of Science (TUS), die einen neuartigen Wasserstoffentwicklungs‑Katalysator, bis(diimino)palladium‑Koordinations‑Nanoschichten (PdDI), entwickelt haben.

Palladium ist ein glänzendes, silbernes und eines der am häufigsten vorkommenden Platin‑Gruppen‑Metalle mit einer deutlich geringeren Dichte als Platin.

Der Einsatz von Palladium, das Platin‑ähnliche Effizienz zu einem Bruchteil der Kosten bietet, ebnet den Weg für erschwingliche und nachhaltige Wasserstoffproduktion, um die saubere Energierrevolution zu beschleunigen. 

Unter der Leitung von Professor Hiroshi Nishihara und Dr. Hiroaki Maeda von TUS in Zusammenarbeit mit Forschern anderer Institute markiert die Studie einen Durchbruch in der Wasserstoffentwicklungs‑Reaktion (HER)‑Technologie.

Die HER‑Katalysatorelektroden erleichtern die Umwandlung von H, das an der Elektrodenoberfläche während der Wasserspaltung erzeugt an der Elektrodenoberfläche während der Wasserspaltung, in Wasserstoffgas (H2) umzuwandeln. Um die Beschränkungen von Pt, die seine großtechnische Anwendung als HER‑Katalysator einschränken, zu überwinden, bietet das Team eine hocheffiziente Alternative zu Platin‑Katalysatoren mittels eines einfachen Syntheseverfahrens.

Das Team entwickelte palladiumbasierte Nanoschichten, die die Fähigkeit haben, eine erhöhte katalytische Aktivität bei reduziertem Einsatz von Edelmetallen zu erreichen, was die Kosten der H2‑Produktion erheblich senkt.

Wie Dr. Maeda bemerkte, “die Entwicklung effizienter HER‑Elektrokatalysatoren ist entscheidend für eine nachhaltige H2‑Produktion” und “Bis(diimino)‑Metall‑Koordinations‑Nanoschichten, mit ihrer hohen Leitfähigkeit, großen Oberfläche und effizienten Elektronentransfer, sind vielversprechende Kandidaten.” Zusätzlich zu diesen Eigenschaften reduziert die spärliche Metallanordnung der Nanoschichten den Materialverbrauch. 

Die PdDI‑Nanoschichten, d. h. E‑PdDI und C‑PdDI, wurden erfolgreich mit zwei verschiedenen Methoden entwickelt:

1. Elektrochemische Oxidation
2. Gas‑Flüssig‑Grenzflächen‑Synthese

Nach der Aktivierung zeigten die E‑PdDI‑Blätter ein niedriges Überspannungsniveau von 34 mV, was bedeutet, dass nur wenig zusätzliche Energie erforderlich für die Wasserstoffproduktion benötigt. Sie entspricht nicht nur der Überspannung von Platin (35 mV), sondern auch der katalytischen Leistung des Edelmetalls mit einer Austauschstromdichte von 2,1 mA/cm².

Die “bemerkenswerte Leistung” übertrifft laut Studie nicht nur die von Pd‑Metallelektroden, sondern auch konventionelle MDI‑(M=Ni, Co, Cu)‑Nanoschichten, wobei hervorgehoben wird, dass diese außergewöhnliche Leistung trotz des Einsatzes sehr geringer Mengen an Edelmetallen erzielt wurde.

Mit diesen Ergebnissen stellt E‑PdDI die bis heute effizientesten HER‑Katalysatoren dar und ist eine vielversprechende kostengünstige Alternative zu Platin.

Bezüglich der Langzeitstabilität, einem kritischen Aspekt jedes Katalysators, zeigten die PdDI‑Nanoschichten ebenfalls hervorragende Haltbarkeit. Sie blieben nach 12 Stunden in sauren Bedingungen intakt, was ihre Anwendbarkeit für reale Wasserstoffproduktionssysteme bestätigt. 

„Unsere Forschung bringt uns einen Schritt näher daran, die H2‑Produktion erschwinglicher und nachhaltiger zu machen, ein entscheidender Schritt zur Erreichung einer sauberen Energiezukunft.“

– Dr. Maeda

Durch die Reduzierung der Abhängigkeit von knappen und teuren Platin stimmen bis(diimino)palladium‑Koordinations‑Nanoschichten (PdDI) zudem mit den Nachhaltigkeitszielen (SDGs) der UN überein, indem sie erschwingliche und saubere Energie sowie Innovation und Infrastruktur fördern. 

Bemerkenswerterweise ist die Studie nicht beschränkt auf Laborversuche. Die Kosteneffizienz, Skalierbarkeit und verbesserte Aktivität der PdDI‑Nanoschichten machen sie äußerst nützlich in großskaligen Energiespeichersystemen, Wasserstoff‑Brennstoffzellen und der industriellen Wasserstoffproduktion.

Zudem könnte PdDI die bergbaubedingten Emissionen, die mit platinbasierten Katalysatoren verbunden sind, reduzieren und den Übergang zu einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft beschleunigen. Der nächste Schritt des TUS‑Teams besteht darin, die PdDI‑Nanoschichten für den praktischen Einsatz zu optimieren.

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Investierbare innovative Unternehmen 

Betrachten wir nun einen prominenten Namen in diesem Bereich, der die Weiterentwicklung sauberer Energietechnologien unterstützt, einschließlich der Entwicklung platinfreier Wasserstoffkatalysatoren.

Plug Power Inc.

Das Unternehmen mit einer Marktkapitalisierung von 1,54 Milliarden US‑Dollar spezialisiert sich auf Wasserstoff‑Brennstoffzellensysteme und erforscht nicht‑platinbasierte Katalysatoren, um Kosten zu senken und die Effizienz zu steigern.

Zum Zeitpunkt der Erstellung werden PLUG-Aktien zu 1,71 US‑Dollar gehandelt, ein Rückgang von 21,6 % im Jahresverlauf. Das EPS (TTM) beträgt -2,54, und das KGV (TTM) liegt bei -0,65.

Für das 4. Quartal 2024 meldete Plug Power (PLUG ) gemeldet 191,5 Millionen US‑Dollar Umsatz und einen Bruttomargenverlust von 122 %, während der operative Cashflow im Jahresvergleich um 46 % stieg. Das Unternehmen beendete das Jahr mit über 200 Millionen US‑Dollar uneingeschränktem Cash. Kürzlich schloss das Unternehmen ein DOE‑Darlehensgarantie‑Programm in Höhe von 1,66 Milliarden US‑Dollar ab.

In diesem Zeitraum setzte das Elektrolyseur‑Geschäft von Plug Power sein Wachstum fort, und das Wasserstoffgeschäft wurde gestärkt.

„2024 war ein Jahr starker Umsetzung und bedeutender strategischer Fortschritte für Plug, da wir unsere Initiativen vorantrieben und bedeutende Schritte zur Förderung der Wasserstoffwirtschaft machten.“

– CEO Andy Marsh

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Fazit

Mit der schnell wachsenden Weltbevölkerung, die voraussichtlich bis Mitte der 2080er Jahre auf etwa 10,3 Milliarden ansteigen wird, wird das Problem der Treibhausgasemissionen noch gravierender. Dies schafft die Notwendigkeit, unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren und Energiequellen zu übernehmen, die sauber, sicherer, reichlich und umweltfreundlich sind.

Hier hat sich Wasserstoffenergie als treibende Kraft für eine saubere und nachhaltige Zukunft erwiesen, indem sie eine emissionsfreie Alternative zu fossilen Brennstoffen bietet. Obwohl vielversprechend, hängt die großtechnische Produktion von Wasserstoff stark von teuren platinbasierten Katalysatoren ab, was die Kosten zu einer großen Herausforderung für die Branche macht.

Durch den Ersatz des wertvollen Pt‑Metalls durch PdDI‑Nanoschichten hat die neueste Studie einen Durchbruch in der kostengünstigen Herstellung von Elektroden erzielt und hervorragende Ergebnisse in der Elektrodenlieferindustrie, der Wasserstoffproduktion und im Automobilbereich erzielt.

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Zitierte Studien:

1. Gao, Y., Yang, Y., Schimmenti, R., Murray, E., Peng, H., Wang, Y., Ge, C., Jiang, W., Wang, G., DiSalvo, F. J., Muller, D. A., Mavrikakis, M., Xiao, L., Abruña, H. D., & Zhuang, L. (2022). Ein vollständig edelmetallfreier alkalischer Brennstoffzelle mit verbesserter Leistung unter Verwendung einer kohlenstoffbeschichteten Nickelanode. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119(13), e2119883119. https://doi.org/10.1073/pnas.2119883119

2. Maeda, H., Phua, E. J. H., Sudo, Y., Nagashima, S., Chen, W., Fujino, M., Takada, K., Fukui, N., Masunaga, H., Sasaki, S., Tsukagoshi, K., & Nishihara, H. (2024). Synthese von Bis(diimino)palladium‑Nanoschichten als hocheffiziente Elektrokatalysatoren für die Wasserstoffentwicklung. Chemistry – A European Journal. https://doi.org/10.1002/chem.202403082