Die globale Wende hin zu sauberen Energiequellen und der Dekarbonisierung der Wirtschaft steht vor einem entscheidenden Hindernis: dem Preis und der Verfügbarkeit der für die Herstellung von grünem Wasserstoff benötigten Materialien. Jahrelang haben Wissenschaftler auf der ganzen Welt nach einer Lösung für das Problem des Iridiums gesucht, eines Edelmetalls, das wertvoller als Gold ist und für die effiziente Herstellung von Wasserstoff aus Wasser entscheidend ist. Dank einer revolutionären Technologie, die an der amerikanischen Northwestern University in Zusammenarbeit mit dem Toyota Research Institute (TRI) entwickelt wurde, scheint nun eine Lösung gefunden worden zu sein, und das in Rekordzeit.

Einem Forscherteam ist es gelungen, ein neues Material zu entdecken, das nicht nur die Leistung von Iridium erreicht, sondern sie in einigen Aspekten sogar übertrifft, und das alles zu einem Bruchteil der Kosten. Dieser Durchbruch öffnet nicht nur die Tür zu einer deutlich billigeren Produktion von grünem Wasserstoff, sondern beweist auch die Stärke eines neuen Ansatzes, der die Art und Weise, wie wir neue Materialien für alles, von Batterien bis hin zur fortgeschrittenen Medizin, entdecken, von Grund auf verändern könnte.

Iridium: Der teure und seltene Engpass der grünen Wende

Grüner Wasserstoff gilt als der heilige Gral der zukünftigen Energiewirtschaft. Er wird durch das Verfahren der Wasserelektrolyse hergestellt, bei dem Wassermoleküle mit Hilfe von elektrischer Energie in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten werden. Während Wasserstoff das gewünschte Produkt ist, stellt die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER - Oxygen Evolution Reaction) den technisch anspruchsvollsten und langsamsten Teil des Prozesses dar. Um diese Reaktion zu beschleunigen und effizienter zu gestalten, sind Katalysatoren erforderlich, und hier kommt Iridium ins Spiel.

Iridium hat sich als der wirksamste und stabilste Katalysator erwiesen, insbesondere unter den sauren Bedingungen, die für PEM-Elektrolyseure, eine der führenden Technologien zur Wasserstoffherstellung, typisch sind. Iridium hat jedoch zwei gewaltige Nachteile. Erstens ist es eines der seltensten Elemente in der Erdkruste. Es wird meist als Nebenprodukt des Platinabbaus gewonnen, und seine jährliche Produktion wird in nur wenigen Tonnen gemessen. Zweitens diktiert seine Seltenheit auch einen astronomischen Preis. Mit einem Preis von rund 5.000 Dollar pro Unze ist es deutlich teurer als Gold. Experten sind sich einig: Es gibt auf der Welt einfach nicht genug Iridium, um den prognostizierten Bedarf für eine massive Produktion von grünem Wasserstoff zu decken. Dies ist ein fundamentales Hindernis, das die globale Ausbreitung der Wasserstoffwirtschaft bremst.

Megabibliothek: Eine Nanomaterial-Fabrik auf einem einzigen Chip

Angesichts dieser Herausforderung wandte ein Team unter der Leitung von Chad A. Mirkin, einem Pionier der Nanotechnologie von der Northwestern University, seine revolutionäre Erfindung namens „Megabibliothek“ an. Es handelt sich um eine Plattform, die als eine Art „Datenfabrik“ für Nanomaterialien fungiert. Auf einem einzigen winzigen Chip, kleiner als eine Briefmarke, befinden sich Millionen, sogar Hunderte von Millionen, einzigartig gestalteter Nanopartikel.

Der Prozess der Erstellung einer Megabibliothek ist faszinierend. Es werden Anordnungen mit Zehntausenden von mikroskopisch kleinen, pyramidenförmigen Spitzen verwendet, von denen jede als miniaturisierter „Nano-Stift“ fungiert. Diese Spitzen tragen winzige Tröpfchen von Metallsalzlösungen in präzise definierten Kombinationen auf die Chipoberfläche auf. Jedes Tröpfchen stellt ein einzigartiges „Rezept“ dar. Nachdem alle Tröpfchen aufgetragen sind, wird der Chip erhitzt, was zur Reduktion der Salze und zur Bildung fester Nanopartikel führt, jedes mit einer genau bestimmten chemischen Zusammensetzung und Größe. Wie Professor Mirkin anschaulich erklärte: „Man kann sich jede Spitze als eine winzige Person in einem winzigen Labor vorstellen. Anstatt dass eine Person eine Struktur herstellt, hat man Millionen von Menschen. Im Grunde genommen hat man eine ganze Armee von Forschern auf einem einzigen Chip verteilt.“

Eine blitzschnelle Suche nach dem idealen Ersatz

Die traditionelle Materialentdeckung ist ein langsamer und mühsamer Prozess voller unzähliger Versuche und Irrtümer. Die Megabibliothek beschleunigt diesen Prozess exponentiell. In dieser speziellen Studie war das Ziel, eine billige und reichlich verfügbare Alternative zu Iridium zu finden. Die Wissenschaftler konzentrierten sich auf Kombinationen von vier wesentlich leichter verfügbaren Metallen, die für ihre katalytischen Eigenschaften bekannt sind: Ruthenium, Kobalt, Mangan und Chrom.

Auf dem Chip wurden unglaubliche 156 Millionen einzigartige Nanopartikel erzeugt, jedes mit einem unterschiedlichen Verhältnis dieser vier Metalle. Nach der Synthese durchlief ein Roboter-Scanner mit hohem Durchsatz die Szene. Dieses automatisierte System testete schnell und effizient jedes der Millionen von Partikeln, um seine Fähigkeit zur Katalyse der Sauerstoffentwicklungsreaktion zu bewerten. Auf der Grundlage dieser vorläufigen Tests identifizierte das Team die vielversprechendsten Kandidaten und wählte sie für weitere, detailliertere Labortests aus.

Die Erfolgsformel: Stabilität und Effizienz ohne hohe Kosten

Nach rigorosen Tests kristallisierte sich eine Zusammensetzung als absoluter Gewinner heraus. Es handelt sich um eine spezifische Kombination aller vier Metalle in Oxidform: Ru52Co33Mn9Cr6. Es ist bekannt, dass multimetallische Katalysatoren oft synergistische Effekte aufweisen, bei denen die Kombination von Elementen bessere Ergebnisse liefert als jedes Element für sich. Dies bestätigte sich auch in diesem Fall.

Das neue Material zeigte eine Aktivität, die der von kommerziellen Katalysatoren auf Iridiumbasis entsprach und in einigen Tests sogar etwas höher war. Aber der wahre Sieg liegt in seiner Stabilität. Ruthenium, das an sich ein guter Katalysator ist, ist unter aggressiven sauren Bedingungen oft instabil. In dieser Kombination wirken Kobalt, Mangan und Chrom jedoch als Stabilisatoren, die dem Material eine langfristige Haltbarkeit verleihen. In Langzeittests arbeitete der neue Katalysator mehr als 1.000 Stunden mit hoher Effizienz und außergewöhnlicher Stabilität unter rauen Bedingungen. Wenn man dazu noch den finanziellen Aspekt hinzufügt – die geschätzten Kosten dieses Materials sind etwa sechzehnmal niedriger als die von Iridium – wird deutlich, dass es sich um eine Entdeckung mit enormem Potenzial handelt.

Die Zukunft liegt in der Verbindung von Nanotechnologie und künstlicher Intelligenz

Dieser Erfolg ist nicht nur für die Zukunft des grünen Wasserstoffs wichtig, sondern für das gesamte Feld der Materialwissenschaften. Der auf Megabibliotheken basierende Ansatz erzeugt riesige Mengen an hochwertigen Daten über die Beziehung zwischen der Struktur eines Materials und seinen Eigenschaften. Solche Datensätze sind eine ideale Grundlage für die Anwendung von künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen.

Die Northwestern University, TRI und Mattiq, ein Spin-out-Unternehmen aus dem Universitätslabor, haben bereits Algorithmen für maschinelles Lernen entwickelt, die Daten aus Megabibliotheken mit einer Geschwindigkeit analysieren können, die die menschlichen Fähigkeiten übertrifft. KI kann subtile Muster und Korrelationen erkennen und vorhersagen, welche Elementkombinationen noch bessere Ergebnisse liefern könnten, und so die zukünftige Forschung lenken. Wie Professor Mirkin betont, ist dies erst der Anfang. Das Ziel ist, diese Plattform auf die Suche nach besseren Materialien in nahezu allen technologischen Sektoren anzuwenden: von effizienteren Batterien und Materialien für Fusionsreaktoren bis hin zu fortschrittlichen optischen Komponenten und biomedizinischen Geräten. Wir leben in einer Welt, die oft nicht die bestmöglichen Materialien verwendet, sondern diejenigen, die mit den Werkzeugen der Vergangenheit verfügbar waren. Diese Technologie bietet die Möglichkeit, das zu ändern und für jede Anwendung die optimale Lösung zu finden, ohne Kompromisse.