{"id":44644,"date":"2017-07-25T07:26:00","date_gmt":"2017-07-25T05:26:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=44644"},"modified":"2021-09-09T21:37:24","modified_gmt":"2021-09-09T19:37:24","slug":"nanomaterial-hilft-sonnenenergie-zu-speichern-effizient-und-kostenguenstig","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/nanomaterial-hilft-sonnenenergie-zu-speichern-effizient-und-kostenguenstig\/","title":{"rendered":"Nanomaterial hilft Sonnenenergie zu speichern: effizient und kosteng\u00fcnstig"},"content":{"rendered":"
\"Bildschirmfoto
Nanopartikel eines Perowskits, die als effizienter Katalysator in einem Elektrolyseur eingesetzt werden k\u00f6nnen. Das kleine Bild zeigt eine Vergr\u00f6sserung der Struktur. (Foto: Paul Scherrer Institut\/Emiliana Fabbri) – Zoom –<\/a><\/figcaption><\/figure>\n

Damit Sonnen- und Windenergie in Zukunft einen gr\u00f6sseren Beitrag zu unserer Energieversorgung leisten k\u00f6nnen, m\u00fcssen sie effizient gespeichert werden. Ein wichtiger Ansatz ist die Speicherung in Form von Wasserstoff, der mithilfe der Sonnen- oder Windenergie aus Wasser gewonnen wird. Dies geschieht in einem sogenannten Elektrolyseur. Dank eines neuen Materials, das Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI und der Empa entwickelt haben, d\u00fcrften diese Ger\u00e4te in Zukunft g\u00fcnstiger und effizienter werden. Das Material dient als Katalysator, der in dem Elektrolyseur die Aufspaltung der Wassermolek\u00fcle beschleunigt, die den ersten Schritt der Wasserstoffproduktion darstellt. Die Forschenden haben auch gezeigt, wie sich das neue Material zuverl\u00e4ssig in grossen Mengen herstellen l\u00e4sst, und seine Leistungsf\u00e4higkeit in einer technischen Elektrolysezelle, der Hauptkomponente eines Elektrolyseurs, nachgewiesen. Ihre Ergebnisse stellen sie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Materials<\/a> vor.<\/strong><\/p>\n

Da Sonnen- und Windenergie nicht jederzeit verf\u00fcgbar sind, k\u00f6nnen sie nur dann einen wesentlichen Beitrag zur Energieversorgung leisten, wenn sie effizient gespeichert werden k\u00f6nnen. Ein vielversprechender Weg ist die Speicherung in Form von Wasserstoff. Dazu wird in einem Elektrolyseur mithilfe von Strom, der aus Sonnen- oder Windenergie gewonnen wurde, gew\u00f6hnliches Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Der Wasserstoff dient dann als Energietr\u00e4ger \u2013 er kann in Tanks gespeichert und sp\u00e4ter zum Beispiel mithilfe von Brennstoffzellen wieder in elektrische Energie umgewandelt werden. Das kann unmittelbar an den Orten geschehen, an denen der Strom gebraucht wird: in Wohnh\u00e4usern oder in Brennstoffzellenfahrzeugen, die eine Mobilit\u00e4t ganz ohne CO2<\/sub>-Ausstoss erm\u00f6glichen w\u00fcrden.<\/p>\n

Kosteng\u00fcnstig und effizient<\/h3>\n
\"Bildschirmfoto
Die Forschenden Emiliana Fabbri und Thomas Schmidt in einem Labor am PSI, an dem sie die Leistungsf\u00e4higkeit des neuentwickelten Katalysators f\u00fcr Elektrolyseure untersucht haben. (Foto: Paul Scherrer Institut\/Mahir Dzambegovic) – Zoom –<\/a><\/figcaption><\/figure>\n

Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI haben nun ein neues Material entwickelt, das in Elektrolyseuren als Katalysator die Aufspaltung der Wassermolek\u00fcle, den ersten Schritt der Erzeugung von Wasserstoff, beschleunigt. “Es gibt heute zwei Typen von Elektrolyseuren auf dem Markt: Die einen sind effizient, aber teuer, weil deren Katalysatoren unter anderem Edelmetalle wie Iridium enthalten. Die anderen sind g\u00fcnstiger, aber weniger effizient”, erkl\u00e4rt Emiliana Fabbri, Forscherin am Paul Scherrer Institut. “Wir wollten einen effizienten Katalysator entwickeln, der zudem g\u00fcnstig ist, weil er ohne Edelmetalle auskommt.”<\/p>\n

\"Bildschirmfoto
Struktur eines Perowskits. Die chemischen Symbole entsprechen dem Material, das als Katalysator am PSI untersucht wurde. Die roten Kugeln entsprechen Sauerstoffatomen. (Grafik: Paul Scherrer Institut\/Emiliana Fabbri) – Zoom –<\/a><\/figcaption><\/figure>\n

Dabei haben die Forschenden auf ein eigentlich schon bekanntes Material zur\u00fcckgegriffen: eine komplexe Verbindung der Elemente Barium, Strontium, Kobalt, Eisen und Sauerstoff \u2013 ein sogenannter Perowskit. Sie haben aber als Erste ein Verfahren entwickelt, mit dem er sich in Form von winzigen Nanopartikeln erzeugen l\u00e4sst. Nur so kann er effizient wirken, denn ein Katalysator ben\u00f6tigt eine m\u00f6glichst hohe Oberfl\u00e4che, an der viele reaktive Zentren die elektrochemische Reaktion beschleunigen. Macht man die einzelnen Partikel des Katalysators m\u00f6glichst klein, addieren sich deren Oberfl\u00e4chen zu einer umso gr\u00f6sseren Gesamtoberfl\u00e4che.<\/p>\n

F\u00fcr die Herstellung des Nanopulvers nutzten die Forschenden ein sogenanntes Flame-Spray-Ger\u00e4t, das von der EMPA betrieben wird. In diesem Ger\u00e4t werden die Bestandteile des Materials gemeinsam durch eine Flamme geschickt, vermischen sich dabei und erstarren schnell zu kleinen Partikeln, sobald sie die Flamme verlassen. “Die Herausforderung war, das Ger\u00e4t so zu betreiben, dass die Atome der einzelnen Elemente zuverl\u00e4ssig in der richtigen Struktur zusammenfinden”, betont Fabbri. “Zus\u00e4tzlich konnten wir noch den Sauerstoffgehalt gezielt variieren und so verschiedene Varianten des Materials erzeugen.”<\/p>\n

Im Praxistest erfolgreich<\/h3>\n

Die Forschenden haben gezeigt, dass ihre Entwicklungen nicht nur im Laborversuch funktionieren, sondern auch wirklich praxistauglich sind. So liefert das vorgestellte Herstellungsverfahren grosse Mengen des Katalysatorpulvers und d\u00fcrfte sich leicht an einen industriellen Massstab anpassen lassen. “Es war uns auch wichtig, den Katalysator selbst einem echten Praxistest zu unterziehen. Wir haben hier am PSI nat\u00fcrlich Messanlagen, in denen wir das Material untersuchen k\u00f6nnen, aber am Ende kommt es darauf an, wie sich das Material in einer industriellen Elektrolysezelle, wie sie in kommerziellen Elektrolyseuren eingesetzt wird, verh\u00e4lt”, so Fabbri. Daher testeten die Forschenden den Katalysator in Kooperation mit einem amerikanischen Hersteller von Elektrolyseuren und konnten dabei zeigen, dass das Ger\u00e4t mit dem neuen Perowskit der PSI-Forscher zuverl\u00e4ssiger arbeitete als mit einem konventionellen Iridium-Oxid-Katalysator.<\/p>\n

In Tausendstelsekunden untersucht<\/h3>\n

Dar\u00fcber hinaus konnten die Forschenden auch genau untersuchen und nachvollziehen, was in dem neuen Material passiert, wenn es aktiv ist. Daf\u00fcr durchleuchteten sie es mit R\u00f6ntgenlicht an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI. Hier steht f\u00fcr die Forschenden ein weltweit einzigartiger Messplatz zur Verf\u00fcgung, an dem sich der Zustand eines Materials in Zeitr\u00e4umen von 200 Tausendstelsekunden untersuchen l\u00e4sst. “So k\u00f6nnen wir verfolgen, wie sich der Katalysator w\u00e4hrend der katalytischen Reaktion ver\u00e4ndert: Wir sehen, wie sich die elektronischen Eigenschaften oder die Anordnung der Atome \u00e4ndern”, so Fabbri. “An anderen Anlagen dauert eine einzelne Messung rund 15 Minuten, sodass man dort h\u00f6chstens ein gemitteltes Bild bekommt.” Ein Ergebnis dieser Messungen ist, dass sich die Struktur an der Oberfl\u00e4che der Partikel im Betrieb ver\u00e4ndert \u2013 das Material wird zum Teil amorph, die Atome sind also in einzelnen Bereichen nicht mehr regelm\u00e4ssig angeordnet. Das Unerwartete an dem Ergebnis ist, dass das Material dadurch zu einem besseren Katalysator wird.<\/p>\n

Einsatz in der ESI-Plattform<\/h3>\n

An der Entwicklung von technologischen L\u00f6sungen f\u00fcr die Energiezukunft der Schweiz mitzuarbeiten ist einer der wesentlichen Forschungsschwerpunkte des PSI. So stellt das PSI mit der ESI-Plattform (ESI steht f\u00fcr Englisch “Energy System Integration”) der Forschung und Industrie eine Versuchsplattform zur Verf\u00fcgung, auf der vielversprechende L\u00f6sungsans\u00e4tze in ihren komplexen Zusammenh\u00e4ngen getestet werden k\u00f6nnen. Der neue Katalysator ist hierbei eine wichtige Basis f\u00fcr die Entwicklung von Wasser-Elektrolyseuren der n\u00e4chsten Generation.<\/p>\n

\u00dcber das PSI<\/h3>\n

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verf\u00fcgung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt besch\u00e4ftigt das PSI 2100 Mitarbeitende, das damit das gr\u00f6sste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget betr\u00e4gt rund CHF 380 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Z\u00fcrich und die ETH Lausanne angeh\u00f6ren sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.<\/p>\n

<\/h3>\n

Weiterf\u00fchrende Informationen<\/h3>\n

Versuchsplattform ESI \u2013 neue Wege zum Energiesystem der Zukunft: https:\/\/www.psi.ch\/media\/esi-plattform<\/a><\/p>\n

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Kontakte<\/h3>\n

Prof. Dr. Thomas J. Schmidt
\nLeiter des Labors f\u00fcr Elektrochemie
\nTel.: +41 56 310 57 65
\nE-Mail: thomasjustus.schmidt@psi.ch<\/a><\/p>\n

Dr. Emiliana Fabbri
\nForschungsgruppe Elektrokatalyse und Grenzfl\u00e4chen
\nLabor f\u00fcr Elektrochemie
\nTel.: +41 56 310 27 95
\nE-Mail: emiliana.fabbri@psi.ch<\/a><\/p>\n

<\/h3>\n

Originalver\u00f6ffentlichung<\/em><\/h3>\n

Dynamic Surface Self-Reconstruction is the Key of Highly Active Perovskite Nano-Electrocatalysts for Water Splitting<\/em>
\n Emiliana Fabbri, Maarten Nachtegaal, Tobias Binniger, Xi Cheng, Bae-Jung Kim, Julien Durst, Francesco Bozza, Thomas J. Graule, Robin Sch\u00e4ublin, Luke H. Wiles, Morgan Petroso, Nemanja Danilovic, Katherine Ayers, Thomas J Schmidt<\/em>
\n Nature Materials 17 July 2017<\/em>
\n DOI: 10.1038\/nmat4938<\/a><\/em><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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