Wasserstoff-Erzeugung mit nanostrukturiertem Nickelsilizid

Elektrische Energie aus Wind oder Sonne lässt sich als chemische Energie in Wasserstoff speichern. Voraus­setzung dafür ist allerdings die effiziente Elektrolyse von Wasser mit kosten­günstigen Katalysatoren. Nano­struktu­riertes Nickel­silizid kann die Effizienz der Sauerstoff­entwick­lungs­reaktion an der Anode deutlich steigern. Das zeigte jetzt ein Team des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie, der TU Berlin und der FU Berlin im Rahmen der Forschungs­plattform CatLab unter anderem mit Messungen an der Synchrotron­strahlungs­quelle BESSY II.

Um die Sauerstoff­entwick­lungs­reaktion an der Anode zu beschleunigen, gelten Materialien auf Nickelbasis als gute Kandidaten. Nickel ist korrosions­beständig, kaum toxisch und zudem preiswert. Um Katalysator­materialien auf Nickelbasis her­zu­stellen, setzte man bislang meist auf energie­intensive Hoch­temperatur­verfahren. Ein Team um Prashanth Menezes vom HZB und der TU Berlin hat jetzt einen anderen Weg gefunden, um einen effizienten Katalysator auf Basis von inter­metal­lischen Nickel-Silizium-Nano­kristallen her­zu­stellen

„Wir haben das Element Nickel mit Silizium, dem zweit­häufigsten Element in der Erdkruste, kombiniert und über eine chemische Reaktion eine Nano­struktu­rierung erreicht. Das daraus resul­tierende Material hat hervor­ragende katalytische Eigen­schaften“, sagt Menezes. Das kristalline Ni₂Si diente als Prä­kata­lysator für die alkalische Sauerstoff­entwick­lungs­reaktion an der Anode. Unter Betriebs­bedingungen bildete sich an der Oberfläche Nickel­(oxy)­hydroxid als aktiver Katalysator.

Bemerkenswert ist auch, dass die Wasser­elektrolyse mit einer organischen Oxidations­reaktion gekoppelt ist, bei der durch Elektrosynthese industriell wertvolle Nitril­ver­bindungen entstehen. Solche elektro­synthe­tischen Methoden können die Wasserstoff­erzeugung an der Kathode steigern und gleichzeitig den Zugang zu wertvollen Industrie­produkten an der Anode ermöglichen.

Im Vergleich zu modernen Kataly­satoren auf Nickel-, Kobalt-, Eisen-, Ruthenium- und Iridium-Basis ist das nanoporöse Ni₂Si wesentlich aktiver und bleibt unter industriellen Bedingungen über längere Zeit stabil. Um das Verhalten von Ni₂Si genauer zu verstehen, kombinierte das Team verschiedene Mess­methoden, darunter Elementar­analysen, Elektronen­mikro­skopie und moderne spektro­skopische Messungen bei BESSY II. „In Zukunft könnten sogar industrielle alkalische Wasser­elektro­lyseure mit einer Beschichtung aus diesem nano­porösen Nickel­silizd ausgestattet werden“, sagt Menezes.

HZB / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  I. Mondal et al.: Nanostructured Intermetallic Nickel Silicide (Pre)Catalyst for Anodic Oxygen Evolution Reaction and Selective Dehydrogenation of Primary Amines, Adv. Energy Mat. 12, 2200269 (2022); DOI: 10.1002/aenm.202200269
• CatLab, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie