Preiswerte Katalysatoren für Stromspeicherung mit Wasserstoff

Grenoble (Frankreich) – Wenn Wind- und Solarparks zu viel Strom erzeugen, bietet sich Wasserstoffgas als effizienter Zwischenspeicher an. Um Wasser möglichst günstig per Elektrolyse in Sauerstoff und Wasserstoff spalten zu können, entwickelten Wissenschaftler nun neue, langlebige Materialen für die Elektroden. Sie bestehen aus speziellen Kobaltkomplexen und Nanoröhrchen aus Kohlenstoff und haben das Potenzial, das bisher favorisierte, aber sehr teure Platin zu ersetzen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher im Fachblatt „Nature Chemistry“.

Dargestellt sind Nanoröhrchen zusammengesetzt aus Molekülketten, außerdem die Kobaltmolekülkomplexe, die über eine Brücke mit den Röhrchen verbunden sind. Ein Pfeil deutet an, wie Wassermooleküle in der Nähe der Kobalkomplexe gespalten werden.
Elektrolyse mit Kobaltkomplexen und Nanoröhrchen

„Diese Kobaltkomplexe gehören zu den effizientesten molekularen Katalysatoren für die Wasserstofferzeugung“, berichten Vincent Artero und seine Kollegen von der Universität Grenoble in Frankreich. Doch war es bisher sehr schwierig, diese kobalthaltigen Moleküle langfristig als Kathode in Elektrolysezellen nutzen zu können. Das Team um Artero löste dieses Problem, indem es über mehrstufige chemische Prozesse die katalytisch aktiven Kobaltkomplexe an Nanoröhrchen aus Kohlenstoff andockte.

Erste Laborversuche belegten, dass mit dieser neuen Kathode Wasser sehr effizient in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt werden konnte. Schon geringe elektrische Spannungen unter einem Volt reichten aus, um pro Kobaltkomplex bis zu 8000 Wassermoleküle elektrolytisch spalten zu können. Selbst nach sieben Stunden und etwa 55.000 Reaktionszyklen zeigte das Material noch keine Abnutzungserscheinungen. In bisherigen Versuchen konnte die hohe Effizienz der Kobaltkomplexe nur für wenige hundert Zyklen aufrechterhalten werden.

Mit dieser Entdeckung könnten Elektrolyseanlagen, die heute mit einem Wirkungsgrad von etwa 70 Prozent arbeiten, auf das etablierte Platin als Kathodenmaterial verzichten. Vor einem technischen Einsatz müssten allerdings noch Produktionsprozesse für größere Mengen entwickelt werden. Gelingt dies, wäre eine weitere Hürde für die Nutzung von Wasserstoff als Zwischenspeicher für überschüssigen Strom aus erneuerbaren Quellen überwunden. Die so im Wasserstoff gespeicherte Energie ließe sich über Brennstoffzellen wieder in elektrischen Strom umwandeln, um Elektroautos anzutreiben oder Spitzenlasten im Stromnetz abzupuffern.