Der von Heraeus Precious Metals und Sibanye-Stillwater entwickelte rutheniumbasierte Katalysator für die PEM-Wasserelektrolyse bietet eine bisher nicht erreichte Kombination aus hoher Aktivität und Stabilität während der Wasserstoffproduktion.

Wasserstoff ist ein wesentliches Element des Energiewandels, mit nach Angabe des Hydrogen Council angekündigten Kapazitäten von 175 Gigawatt (GW) bis 2030. Es wird erwartet, dass 40% dieser zukünftigen Kapazitäten mit Hilfe der PEM-Elektrolyse erzeugt werden, eine Technologie, die auf das äußerst seltene Element Iridium angewiesen ist. Da nur etwa 9 t Iridium pro Jahr abgebaut werden können und es in verschiedenen Branchen zum Einsatz kommt, wären Engpässe bei der Versorgung unausweichlich - es sei denn, Lösungen werden implementiert, die die Menge an Iridium in der PEM-Anwendung reduzieren.

Bei den derzeit vorherrschenden Lösungen sind etwa 400 kg Iridium erforderlich, um ein Gigawatt Kapazität aufzubauen. Um Versorgungsengpässe zu vermeiden, ist eine Reduktion des Iridiumverbrauchs auf weniger als 100 kg pro GW erforderlich. Der neue Katalysator basiert nicht allein auf Iridium. sondern vorwiegend auf Ruthenium und kann im Vergleich zu einem Iridiumoxid-Katalysator bis zu 85% des benötigten Iridiums einsparen. Damit werden mögliche Versorgungsengpässe verringert, denn die primäre Produktion von Ruthenium ist um das 3,5-fache höher als die von Iridium.

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 löst dieses Problem, 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.

Die neue Ruthenium-Iridiumoxid-Materialklasse weist eine immense Aktivitätssteigerung auf. Der Katalysator erreicht eine um bis zu 50-mal höhere Massenaktivität als Iridiumoxid, bleibt aber, im Gegensatz zu reinem Rutheniumoxid, unter Betriebsbedingungen stabil. Die Stabilität der neuen Materialklasse wurde durch AD-Tests (Accelerated Degradation Tests) 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 Start-up mit Sitz in Chicago, IL, USA, verifiziert. Das Unternehmen führte hochdurchsatzfähige Screening-Experimente für das Entwicklungsvorhaben durch.

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