Das Element Wasserstoff ist ein wesentlicher Bestandteil des angedachten Energiewandels, mit nach Angabe des Hydrogen Council erwartbaren Kapazitäten von 175 Gigawatt bis zum Jahr 2030. Man geht davon aus, dass rund 40 Prozent dieser zukünftigen Kapazitäten mit Hilfe der Protonenaustauschmembran (PEM) Wasserelektrolyse erzeugt werden, also mit einer Technologie, die bisher auf das äußerst seltene Element Iridium angewiesen ist. Da nur etwa neun Tonnen Iridium pro Jahr abgebaut werden können und es in verschiedenen Branchen zum Einsatz kommt, wären Engpässe bei der Versorgung vorprogrammiert – es sei denn, Lösungen werden implementiert, die die Menge an Iridium in der PEM-Anwendung reduzieren.

Fortschritt für eine nachhaltige Wasserstoffproduktion

Diese Lösung scheint jetzt gefunden worden zu sein: Heraeus Precious Metals und Sibanye-Stillwater haben eigenen Aussagen zu Folge eine wegweisende Technologieinnovation bei Elektrokatalysatoren für die Wasserstoffproduktion entwickelt: Ein neuer, stabiler Ruthenium-basierter Katalysator für die PEM-Wasserelektrolyse. Dieser Durchbruch stellt laut Heraeus einen signifikanten Fortschritt in Richtung einer nachhaltigen Wasserstoffproduktion dar, indem er die Materialkosten deutlich reduziert und die Abhängigkeit vom äußerst knappen und teuren Iridium verringert.

Iridiumverbrauch um 85 Prozent reduziert

Bei den derzeit vorherrschenden Lösungen sind etwa 400 Kilogramm Iridium erforderlich, um ein Gigawatt Kapazität aufzubauen. Um Versorgungsengpässe zu vermeiden, ist eine Reduktion des Iridiumverbrauchs auf weniger als 100 Kilogramm pro Gigawatt erforderlich. Der von Heraeus und Sibanye-Stillwater vorgestellte Katalysator basiert daher vorwiegend auf Ruthenium und kann im Vergleich zu einem reinen Iridiumoxid-Katalysator bis zu 85 Prozent des benötigten Iridiums einsparen. Damit könnten mögliche Versorgungsengpässe verringert werden, denn die primäre weltweite Produktion von Ruthenium ist laut Heraeus 3.5-mal so groß wie die von Iridium.

Innovative Kombination von Ruthenium- und Iridiumoxid

Ebenso wie Iridium kann Ruthenium die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) katalytisch in Gang setzen, die bei der PEM-Elektrolyse eine entscheidende Rolle spielt. Ruthenium weist sogar eine überlegene katalytische Aktivität im Vergleich zu Iridium auf, jedoch fehlte entsprechenden Katalysatoren bisher die erforderliche Stabilität unter den anspruchsvollen Bedingungen eines PEM-Elektrolyseurs. Das Konzept von Heraeus soll dieses Problem lösen, indem es sowohl Ruthenium- als auch Iridiumoxid auf innovative Weise kombiniert: Hierdurch kann die nötige Stabilität erreicht und gleichzeitig die gesteigerte katalytische Aktivität von Ruthenium genutzt werden.

Stabil trotz signifikant erhöhter Massenaktivität

Die neue Ruthenium-Iridiumoxid-Materialklasse weist eine immense Aktivitätssteigerung auf. Der Katalysator erreicht eine um bis zu 50-mal höhere Massenaktivität als bisher, bleibt aber – im Gegensatz zu reinem Rutheniumoxid – unter Betriebsbedingungen stabil. Die Stabilität der neuen Materialklasse wurde durch AD-Tests (Accelerated Degradation) untersucht: Nach 30.000 Zyklen zeigte der neue Katalysator eine deutlich geringere Aktivitätsminderung als Rutheniumoxid und eine vergleichbare Stabilität wie Iridiumoxid. Diese Ergebnisse wurden von Mattiq, einem US-amerikanischen Startup, verifiziert. Mattig vereint Expertise in den Bereichen Chemie und Materialwissenschaft und führte hochdurchsatzfähige Screening-Experimente für das Entwicklungsvorhaben durch.

Umstellung birgt auch kommerzielle Vorteile

Durch den Einsatz von Ruthenium trägt Heraeus nicht nur zur Reduzierung möglicher Versorgungsengpässe bei, sondern bietet auch signifikante kommerzielle Vorteile. Das Konzept ermöglicht laut Heraeus eine Reduzierung der Kapitalkosten für Materialien um rund 90 Prozent, was dazu beitragen soll, dass die Wasserstoffproduktion wirtschaftlicher und effizienter wird.

Dr. Philipp Walter, EVP New Business Development bei Heraeus Precious Metals, betont: „Die drastische Reduzierung des Kapitalaufwands pro Gigawatt durch unseren neuen Ruthenium-basierten Katalysator adressiert nicht nur das Versorgungsproblem von Iridium, sondern ist auch wirtschaftlich sinnvoll. Lösungen wie diese treiben den dringend benötigten Ausbau der Wasserstoffindustrie voran und bringen uns näher an unsere globalen Ziele für grüne Energie.“ Und Neal Froneman, CEO von Sibanye-Stillwater, ergänzt: „Als weltweit größter Produzent von primärem Iridium sind wir fest davon überzeugt, dass eine nachhaltige Nachfrage nach diesen Metallen unter Berücksichtigung der Versorgung für die gesamte Branche von Vorteil ist. Der beeindruckende Fortschritt, den Heraeus in mit der bisherigen Arbeit erzielt hat, ist ermutigend, und wir schätzen unsere Partnerschaft in dieser Unternehmung sehr.“

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