Hochleistungs-Ionomer-freie Gasaustritts-Kathoden mit geringer Pt-Beladung für die Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse

Wasser in Treibstoff verwandeln mit weniger Edelmetall

Aus Wasser und erneuerbarem Strom gewonnener Wasserstoff wird häufig als sauberer Brennstoff für die Schwerindustrie, die Schifffahrt und die langfristige Energiespeicherung angepriesen. Die derzeit effizientesten Geräte zur Wasserspaltung sind jedoch auf große Mengen Platin angewiesen, eines der seltensten und teuersten Metalle der Erde. Diese Studie zeigt einen Weg, auf einer Seite dieser Geräte nahezu hundertmal weniger Platin zu verwenden, ohne Leistung oder Stabilität einzubüßen, und rückt damit erschwinglichen grünem Wasserstoff näher.

Warum die Reduzierung von Platin wichtig ist

Moderne Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyseure — kompakte Geräte, die Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten — funktionieren gut, sind aber stark von zwei knappen „edlen“ Metallen abhängig. Iridium treibt die sauerstoffbildende Reaktion an der Anode, während Platin die Wasserstoffbildung an der Kathode ermöglicht. Obwohl Platin im Labor ein hervorragender Katalysator ist, liegt in realen Geräten ein großer Teil des Metalls in einer dicken Schicht vermischt mit einem ionenleitenden Bindemittel eingeschlossen. Nur ein Bruchteil des Metalls berührt gleichzeitig Wasser, Gas und Membran, was für die Reaktion erforderlich ist. Infolgedessen kompensieren Hersteller dies durch Zugabe von mehr Platin, was sowohl Kosten als auch Materialbedarf erhöht.

Ein Ein-Schritt-Verfahren, Atome präzise zu platzieren

Die Forscher gingen das Problem an, indem sie das Kathoden-Design neu dachten. Anstatt eine Flüssigtinte herzustellen und diese auf ein Trägermaterial zu sprühen, nutzten sie eine gasbasierte Technik namens atomare Schichtabscheidung (ALD). Bei ALD wird die Oberfläche abwechselnd Pulsen eines platinhaltigen Dampfes und eines reaktiven Gases ausgesetzt, wodurch Platin Schicht für Schicht als winzige, gut getrennte Nanopartikel wächst. Sie trugen diesen Prozess direkt auf eine kommerzielle Gasaustritts-Schicht auf — ein poröses Kohleblatt, das Wasser und Gas durchlässt — wahlweise beschichtet mit einer zusätzlichen dünnen „mikroporösen Schicht“, die die Oberfläche glättet. Durch Abstimmung der Anzahl der ALD-Zyklen konnten sie sowohl die Anzahl der platinierten Atome als auch die Partikelgröße kontrollieren, und das mit Nanometerpräzision.

Aufbau einer dünneren, intelligenteren Kathodenschicht

Sorgfältige Abbildungen und Oberflächenanalysen bestätigten, dass die ALD-Methode gleichmäßige Platin-Nanopartikel erzeugte, die sich hauptsächlich an der Außenfläche des Trägers befanden, statt tief hineinzudringen. Auf der mikroporösen Schicht waren die Partikel besonders klein und gleichmäßig verteilt, oft mit Größen unter zwei Nanometern bei der niedrigsten Metallbeladung. Da diese dünne, glatte Schicht guten Kontakt mit der Polymermembran herstellt und gleichzeitig wasserabweisend bleibt, erleichtert sie das Entweichen von Wasserstoffblasen und sorgt dafür, dass frisches Wasser zu den aktiven Stellen fließt. Elektrische Tests in kompletten Elektrolyseurzellen zeigten, dass diese neuen Kathoden, selbst mit extrem geringen Platinmengen zwischen etwa 1 und 5 Mikrogramm pro Quadratzentimeter, mit kommerziellen Referenzelektroden mithalten oder diese übertreffen konnten, deren Platingehalt mehr als hundertmal höher ist.

Leistung, Effizienz und Dauerhaftigkeit

Um zu verstehen, wie und warum das neue Design so gut funktioniert, zerlegten die Forschenden die Zellspannung in Beiträge durch Reaktionsgeschwindigkeit, elektrischen Widerstand und Gastransport. Sie stellten fest, dass bei auf einer mikroporösen Schicht mittels ALD platiniertem Platin die Geschwindigkeit der wasserstoffbildenden Reaktion trotz der drastisch geringeren Metallmenge vergleichbar mit konventionellen, platindichten Elektroden blieb. Gleichzeitig reduzierte die dünnere, gut organisierte Katalysatorschicht Probleme durch Gasansammlungen, die sonst Energie verschwenden können. Sobald die Forscher die Leistung auf die tatsächlich eingesetzte Platinmasse normierten, wurde der Vorteil deutlich: Ihre besten ionomerfreien Kathoden zeigten Massenaktivitäten von bis zu drei Größenordnungen höher als standardmäßige kommerzielle Geräte und übertrafen die bislang besten in der wissenschaftlichen Literatur berichteten Ergebnisse.

Nachweis der Haltbarkeit unter realistischen Bedingungen

Weniger Platin zu verwenden ist nur dann sinnvoll, wenn das Gerät während des Langzeitbetriebs und unter den typischen schwankenden Leistungsbedingungen von Wind- und Solarenergie stabil bleibt. Das Team betrieb daher seine besten Elektroden 200 Stunden lang bei hohem Strom, was industriell relevanten Wasserstoffproduktionsraten entspricht. Die Zellspannung blieb nahezu konstant, mit nur geringfügiger Degradation. In einem separaten Test, der schnelle Leistungswechsel nachahmte — indem die Zellspannung 25.000 Zyklen zwischen niedrigen und hohen Werten umgeschaltet wurde — zeigten die Elektroden erneut nur geringe Leistungsverluste. Elektrische Messungen vor und nach diesen Tests deuteten darauf hin, dass weder die intrinsische Aktivität des Platins noch der Gesamtwiderstand der Zelle merklich verändert wurden.

Was das für grünen Wasserstoff bedeutet

Einfach ausgedrückt zeigt diese Arbeit, wie man "jedes Atom weise nutzt." Indem Platin genau dort platziert wird, wo es gebraucht wird — in einer sehr dünnen Schicht an der Schnittstelle zwischen einem glatten porösen Träger und der Membran — erreichen die Forscher dieselbe Wasserstoffausbeute mit etwa 99,5 % weniger Platin an der Kathode als bei heutigen kommerziellen Designs. Da sich der ALD-Prozess an eine Roll-to-Roll-Produktion anpassen lässt, ähnlich wie Zeitungen gedruckt werden, bietet er einen realistischen Weg zur Massenfertigung. In Kombination mit parallelen Bemühungen zur Reduzierung des Iridiumeinsatzes an der Anode könnten solche Fortschritte die großtechnische, effiziente Produktion von grünem Wasserstoff sowohl technisch als auch wirtschaftlich realisierbar machen.

Zitation: Chen, M., Piechulla, P.M., Mantzanas, A. et al. High-performance ionomer-free gas diffusion cathodes with low Pt loading for proton exchange membrane water electrolysis. Commun Mater 7, 67 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01076-2

Schlüsselwörter: grüner Wasserstoff, Wasserelektrolyse, Platin-Katalysator, atomare Schichtabscheidung, Gasaustritts-Elektrode