Protonenaustauschmembran (PEM)Die Wasserelektrolyse-Technologie kann direkt mit schwankenden erneuerbaren Energiequellen gekoppelt werden fürWasserstoffproduktion. Dieser Ansatz gewährleistet nicht nur die Netzsicherheit, sondern ermöglicht auch die Umverteilung erneuerbarer Ressourcen und ist damit eine entscheidende technologische Grundlage für die Erreichung der Kohlenstoffneutralität. Aufgrund der sauren Umgebung vonPEM-WasserelektrolyseDie Technologie basiert derzeit in hohem Maße auf Iridium, einem Edelmetall, das unter sauren Bedingungen stabil ist, als Anodenkatalysator. Iridium ist eine der seltensten Ressourcen auf der Erde, mit einer jährlichen Produktion von nur 6-8 Tonnen, und seine Knappheit stellt eine erhebliche Herausforderung für die Ausweitung der PEM-basierten Wasserstoffproduktion dar.
Als Reaktion darauf entdeckte und nutzte das von Ryuhei Nakamura geleitete Forschungsteam eine besondere Affinität zwischen Mangan (Mn) und Iridium (Ir) und entwickelte einen hochstabilen, atomar dispergierten sechswertigen Iridiumkatalysator (IrVI-ado). Dieser neue Katalysator behält seine hohe Aktivität und Stabilität bei, während die Iridiumbeladung auf unter 0,1 mg/cm² reduziert wird, mehr als 95 % weniger als die aktuelle Iridiumbeladung bei der PEM-Wasserelektrolyse (2–4 mg/cm²). Im Vergleich zu den üblicherweise verwendeten Ir⁴⁺-Katalysatoren verfügt dieser neuartige Katalysator über einen höheren Valenzzustand (Ir⁶⁺) und ist atomar auf der Oberfläche von γ-MnO₂ dispergiert. Der Ir⁶⁺-Zustand erhöht die intrinsische Aktivität und Stabilität von Iridium, während die Dispersion auf atomarer Ebene eine nahezu 100-prozentige Nutzung des Iridiums ermöglicht. Das Team führte eine umfassende Analyse der Synthese, der strukturellen Eigenschaften und der PEM-Wasserelektrolyseleistung des Ir-Katalysators durch, klärte die Wechselwirkung zwischen Mn und Ir auf und demonstrierte die überlegene Leistung des Katalysators mit einer Iridiumbeladung von weniger als 0,1 mg/cm² in PEM-Elektrolyseuren.
Die Forschungsergebnisse wurden veröffentlicht inWissenschaftunter dem Titel "Atomally Dispersed Hexavalent Iridium Oxide from MnO₂ Reduction for Oxygen Evolution Catalysis." Die korrespondierenden Autoren sind Ailong Li und Ryuhei Nakamura, wobei Ailong Li und Shuang Kong die Erstautoren sind.
