TU Wien: Wasserstoff-Elektrolyse mit 88 Prozent weniger Platin

Die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse könnte künftig wesentlich günstiger werden. Wissenschafter der TU Wien haben nachgewiesen, dass bereits eine 24 Nanometer dünne Platinschicht für den Korrosionsschutz ausreicht – im Vergleich zu den heute üblichen 200 Nanometern ließe sich damit rund 88 Prozent des teuren Edelmetalls einsparen.

Bei der PEM-Wasserelektrolyse wird Wasser mithilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Die Technologie gilt als vielversprechend für klimafreundliche Industrieanwendungen, ist aber noch kostspielig. Ein wesentlicher Kostenfaktor sind die sogenannten Bipolarplatten, die bis zu 30 Prozent der Systemkosten ausmachen.

Titan braucht Schutz vor Oxidation

Diese Platten sorgen für mechanische Stabilität, leiten Strom und ermöglichen den Transport von Wasser und Gasen. Als Material eignet sich Titan, das unter aggressiven Bedingungen korrosionsbeständig ist. Allerdings bildet sich an der Oberfläche eine Oxidschicht, die den Stromfluss behindert.

Deshalb werden die Titanplatten mit Platin beschichtet. „Wenn die Anlage lange funktionsfähig bleiben soll, muss man die unterschiedlichen Bauteile sorgfältig aufeinander abstimmen“, erklärt Helmut Riedl-Tragenreif vom Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie der TU Wien. Bisher war unklar, wie dick diese Schutzschicht tatsächlich sein muss.

Systematische Tests zeigen Einsparpotenzial

Die Wiener Forschenden haben verschiedene Schichtdicken systematisch getestet. Das Ergebnis: Eine 24 Nanometer dünne Platinschicht erwies sich unter den untersuchten Bedingungen als ausreichend. Bei nur acht Nanometern traten hingegen deutliche Probleme auf.

Die Wissenschafter analysierten die Schichten vor und nach elektrochemischer Belastung mit hochauflösenden Methoden. „Wichtig ist vor allem, ob in der Schicht mikroskopische Defekte auftreten“, sagt Riedl-Tragenreif. Solche Defekte können einen Teufelskreis auslösen: Ist die Schutzschicht beschädigt, wird das darunterliegende Titan angegriffen, oxidiert und kann die Platinschicht weiter schädigen.

Bei der acht Nanometer dünnen Schicht fanden die Forschenden nach der Belastung größere Defekte und deutlich mehr Titan- und Platinionen im Elektrolyten. Die 24 Nanometer dicke Schicht blieb hingegen weitgehend intakt und behielt ihre gute elektrische Leitfähigkeit.

Industriestandard materialwissenschaftlich nicht notwendig

„Heute verwendet man oft Platinschichten von mehreren hundert Nanometern Dicke. Unsere Ergebnisse zeigen, wie groß das Einsparungspotenzial hier ist“, sagt Riedl-Tragenreif. Die optimale Schichtdicke hänge von vielen Faktoren ab, etwa von der Herstellungstechnik und der Gleichmäßigkeit der Beschichtung.

Die Studie wurde in der Fachzeitschrift ACS Applied Materials & Interfaces veröffentlicht.

Quelle: https://www.tuwien.at/tu-wien/aktuelles/news/news/platin-sparen-bei-der-wasserstoffproduktion