In einer im Dezember 2024 veröffentlichten Studie verwendeten Prof. Aliaksandr S. Bandarenka, Dr. Elena Gubanova und ihr Team experimentelle Techniken, um die Bildung von Oberflächendefekten auf Palladium unter elektrochemischen Bedingungen der Wasserstoffentwicklungsreaktion zu untersuchen. Die Beobachtungen stimmen mit theoretischen Erkenntnissen von Kooperationspartnern der Universitäten Limerick und Bochum überein, die Defektbildungen auf spezifische Wechselwirkungen zwischen Palladium- und Wasserstoffatomen zurückführen. Die Studie wurde in Advanced Materials veröffentlicht und verbessert unser allgemeines Verständnis darüber, wie stabile und aktive palladiumbasierte Elektrokatalysatoren zur Produktion von grünem Wasserstoff für die Zukunft entwickelt werden können.

Grüner Wasserstoff wird durch Wasserelektrolyse hergestellt. Dieser Prozess kann durch den Einsatz von Elektrokatalysatoren erleichtert werden, die elektrochemische Reaktionen beschleunigen. Der derzeit meist-verwendete Katalysator für die Wasserstoffentwicklungsreaktion ist Platin, ein teures und seltenes Edelmetall. Daher ist es notwendig, andere Katalysatormaterialien als geeignete Alternativen zu identifizieren. Neben Platin gilt dabei Palladium als vielversprechender Kandidat für die Wasserstoffproduktion. Im Prinzip kann allerdings jedes Katalysatormaterial optimiert werden, um die elektrochemischen Reaktionen zu beschleunigen. Dazu muss allerdings das Verhalten des jeweiligen Materials unter Reaktionsbedingungen der Wasserstoffentwicklungsreaktion im Detail verstanden werden. Genau das ist dem Team gelungen.

Gemäß des Klimaschutzgesetzes hat sich Deutschland verpflichtet, die Netto-Treibhausgasemissionen bis 2030 um 65 % gegenüber dem Niveau von 1990 zu senken und bis 2045 Treibhausgasneutralität zu erreichen.¹ Ein wichtiger Beitrag zur Erreichung dieses Ziels besteht in der Ersetzung fossiler Brennstoffe durch erneuerbare Energien. Der aus diesen erneuerbaren Quellen erzeugte Strom kann u.a. zur Synthese von grünem Wasserstoff verwendet werden, der eine hohe Energiedichte von 33,6 kWh/kg ^2,3 aufweist und damit Benzin und Diesel (12,7 bzw. 12-14 kWh/kg) übertrifft ^3,4. Dieser kann dann in Brennstoffzellenfahrzeugen sowie zur Energiespeicherung eingesetzt werden. Darüber hinaus ist Wasserstoff essentiell für viele industrielle Prozesse, beispielsweise für Hydrierungen in Erdölraffinerien und der Synthese von Ammoniak für die Düngemittelproduktion. Dennoch beträgt der Anteil an grünem Wasserstoff derzeit weniger als 5 % der weltweiten Produktion.

Publikation

• Hydride-Induced Reconstruction of Pd Electrode Surfaces: A Combined Computational and Experimental Study in Advanced Materials: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202410951 DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202410951

Involvierte Forschungsgruppen:

• Prof. Bandarenkas Forschungsgruppe Physik der Energiewandlung und -speicherung: https://www.ph.nat.tum.de/energy/ecs/

• Dr. Gubanovas Untergruppe Nanostrukturierte Energiematerialien: https://www.ph.nat.tum.de/energy/sub-group-nanostructured-energy-materials-dr-gubanova/

Referenzen:

1. www.bundesregierung.de/breg-en/service/archive/climate-change-act-2021-1936846

2. C. Tarhan und M. A. Çil. A study on hydrogen, the clean energy of the future: Hydrogen storage methods. Journal of Energy Storage 40 (2021), 102676.

3. https://rmi.org/run-on-less-with-hydrogen-fuel-cells/

4. M. J. Veenstra und B. Hobein. On-board physical based 70 MPa hydrogen storage systems. SAE International Journal of Engines 4.1 (2011), S. 1862–1871.

Danksagung 

Dieses Projekt wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union im Rahmen des Grant Agreements HERMES Nr. 952184 sowie von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) – Sonderforschungsbereich 1625 finanziert.

Mitautoren sind Forschungsteams der University of Limerick (IE), Aalto University (FI), Université Grenoble Alpes (FR), Ruhr-Universität Bochum (DE) und des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (DE).

Wissenschaftlicher Kontakt
Dr. Elena Gubanova
elena.gubanova(at)tum.de 

Pressekontakt
communications(at)nat.tum.de