Erneuerbare Energien

Grüner Wasserstoff ohne Iridium? Dieser neue Katalysator stellt alles in Frage

von Artisan Baumeister · Veröffentlicht 22. April 2025 · Aktualisiert 22. April 2025

Ein neu entwickelter Kobalt-Katalysator erreicht erstmals 600 Stunden Stabilität bei 1 A/cm² ohne Iridium. Diese Innovation könnte die Kosten und Ressourcenprobleme der industriellen Wasserstoffproduktion drastisch senken – und den Weg für skalierbare grüne Energie ebnen.

Inhaltsübersicht

Einleitung
Was macht diesen Katalysator so besonders?
Wer steckt hinter dem Durchbruch – und wie wurde er belegt?
Was bedeutet das für Technologie, Markt und Politik?
Fazit

Einleitung

Kobalt statt Iridium – was wie ein Detail aus der metallurgischen Nische klingt, entpuppt sich als potenzieller Wendepunkt für die industrielle Wasserstoffproduktion. Denn während Iridium aufgrund von Seltenheit und hohen Kosten als Flaschenhals für die Protonenaustauschmembran-(PEM)-Elektrolyse gilt, gelingt einem internationalen Forscherteam unter Leitung von Prof. F. Pelayo García de Arquer vom ICFO der möglicherweise entscheidende Durchbruch: Ein rein kobaltbasierter Katalysator, der bei 1 A/cm² über 600 Stunden stabil arbeitet. Möglich wird das durch eine raffinierte Nanostrukturierung mit gezielter Einbettung von Wasser- und Hydroxylgruppen. Diese sorgen unter den sonst korrosiven Bedingungen der sauren PEM-Umgebung für beispiellose Stabilität. Dieser Artikel beleuchtet die wissenschaftlichen Grundlagen, technologische Innovationen und die ökonomischen wie geopolitischen Implikationen dieser Entdeckung. Er zeigt, warum etablierte Märkte unter Zugzwang geraten – und welche neuen Chancen sich öffnen.

Was macht diesen Katalysator so besonders?

Die eigentliche Revolution liegt im Detail: Der neue kobalt-basierte Katalysator wurde so designt, dass er auf atomarer Ebene den extrem sauren Bedingungen der PEM-Elektrolyse trotzt – und das bei einer industrierelevanten Stromdichte von 1 A/cm² über 600 Stunden hinweg. Eine überzeugende Demonstration von Langzeitstabilität, die in Sachen grüner Wasserstoff Maßstäbe setzt.

Technologisch entscheidend ist die feinstrukturierte Einbettung von Wasser- und Hydroxylgruppen in die Oberfläche des Katalysators. Diese funktionellen Gruppen wirken wie molekulare Stoßdämpfer innerhalb der nanostrukturierten Matrix: Sie stabilisieren aktiv die katalytisch aktiven Zentren und erleichtern gleichzeitig die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER). Anders gesagt: Während typische Materialien in saurer Umgebung rasch degradieren, bleibt diese kobaltbasierte Struktur im Gleichgewicht.

Im Vergleich zu Iridium-Anoden, dem bisherigen Nonplusultra in der Elektrolyse-Katalyse, zeigt der kobaltbasierte Ansatz beeindruckende Fortschritte. Zwar liegt die absolute Effizienz (Faraday-Ausbeute) noch knapp unterhalb der iridiumbasierten Benchmarks, jedoch ist der Rückgang der Aktivität über Zeit deutlich flacher. Mit anderen Worten: Die Lebensdauer des Katalysators ist konkurrenzfähig – und das ganz ohne den Preis eines der seltensten Metalle der Erde.

Was das für die Wasserstoffproduktion aus erneuerbaren Energien bedeutet? Ein möglicher Paradigmenwechsel. Denn mit Kobalt steht ein Material zur Verfügung, das global verfügbarer und wirtschaftlich kalkulierbarer ist. Das allein macht diesen Katalysator nicht nur chemisch interessant, sondern auch politisch relevant – in einem Energiesystem, das dringend Nachhaltigkeit braucht.

Wer steckt hinter dem Durchbruch – und wie wurde er belegt?

Ein internationales Team mit einer klaren Mission

Prof. F. Pelayo García de Arquer und sein Team am Institut für Photonik (ICFO) in Barcelona sind keine Unbekannten in der Welt der Elektrolyseforschung. Doch mit ihrem jüngsten Erfolg setzen sie ein Ausrufezeichen – und das ganz ohne Iridium. Gemeinsam mit Materialwissenschaftlern, Elektrochemikern und Spektroskopie-Experten aus mehreren Ländern entwickelten sie einen neuartigen Katalysator auf Kobaltbasis, speziell für den Einsatz in der PEM-Elektrolyse.

Vom Materialkonzept zur 600-Stunden-Marke

Ausgangspunkt der Entwicklung war die gezielte Modifikation der Nanostruktur: Wasser- und Hydroxylgruppen wurden leitend ins Kobaltgitter eingebettet, was zu einer überraschend robusten Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) führte. Der Katalysator hielt selbst nach 600 Stunden bei 1 A/cm² stabil durch – ein Meilenstein, der bis dahin nur Iridiumsystemen vorbehalten war.

Wie belegt man solch eine Behauptung?

Mit sorgfältiger Wissenschaft: Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) lieferte hochauflösende Bilder der Katalysatorstruktur und zeigte, wie uniform die wasservermittelten Defektstellen verteilt sind. XPS (Röntgenphotoelektronenspektroskopie) charakterisierte die chemische Umgebung des Kobalts – ein entscheidender Hinweis auf dessen Oxidationsdynamik während der Langzeitelektrolyse. Und per In-situ-Spektroskopie wurde die katalytische Aktivität unter realen Betriebsbedingungen verfolgt, was besonders im Vergleich zur schnelleren Degradation typischer Iridium-Anoden aufschlussreich war.

Der Unterschied: Methodik statt Mythos

Im Gegensatz zur teils empirisch gewachsenen Forschung rund um Iridium setzt dieses Projekt konsequent auf verstehbare, reproduzierbare Materialwissenschaft. Das Ergebnis ist ein Katalysator, der in Sachen Nachhaltigkeit, Langzeitstabilität und Zukunftsfähigkeit die Debatte um grünen Wasserstoff auf eine neue Ebene hebt.

Was bedeutet das für Technologie, Markt und Politik?

Der kobaltbasierte Katalysator könnte die industrielle PEM-Elektrolyse neu definieren – sowohl auf dem technischen Parkett als auch entlang globaler Lieferketten. Denn der Verzicht auf Iridium betrifft mehr als nur die Laborausstattung: Er greift die Grundvoraussetzungen an, auf denen heutige Wasserstoffproduktion basiert.

Iridium gehört zu den seltensten Metallen der Erde. Der weltweite Jahresoutput liegt bei weniger als 10 Tonnen. Kein Wunder also, dass seine Rolle als Schlüsselmaterial in der Elektrolyse nicht nur teuer, sondern auch geopolitisch heikel ist. Kobalt, das beim neuen Katalysator zum Einsatz kommt, ist zwar ebenfalls nicht unproblematisch – etwa in Fragen der fairen Beschaffung –, aber es ist deutlich breiter verfügbar, beispielsweise aus Australien, Kanada und Indonesien. Das verschafft der noch jungen grünen Wasserstoffwirtschaft Luft zum Atmen.

Im industriellen Maßstab könnte der effizientere Kobalt-Katalysator die CAPEX (Investitionskosten) durch sinkende Materialpreise senken und gleichzeitig mit niedrigerem OPEX (Betriebskosten) durch längere Standzeiten punkten. Erste Wirtschaftlichkeitsmodelle unterstützen diese These: Stabilität bei 1 A/cm² über 600 Stunden macht den Sprung von der Laborbank in den Container machbar.

Derzeit prüfen laut Projektbeteiligten mehrere europäische Anlagenbauer und Versorger die Kompatibilität mit bestehenden PEM-Modulen und Zertifizierungsprozessen. Ein Vertreter eines großen deutschen Versorgers verweist auf ein „erhöhtes regulatorisches Interesse, sobald Iridium-freie Systeme Langzeitperformance nachweisen“.

Die eigentliche politische Chance? Mehr Kontrolle über strategische Materialien, geringere Abhängigkeit von seltenen Metallen – und ein robusteres Fundament für den Ausbau der erneuerbaren Energien durch integrierte Wasserstoffspeicherlösungen.

Fazit

Die Entwicklung eines iridiumfreien, ausschließlich kobalt-basierten Katalysators mit industrieller Leistungsstabilität öffnet der PEM-Elektrolyse völlig neue Perspektiven. Die Kombination aus chemischer Raffinesse und realitätsnaher Demonstration setzt neue Maßstäbe für Materialdesign in der grünen Energietechnologie. Vor allem aber zeigt sie: Eine skalierbare Wasserstoffwirtschaft muss nicht länger an Knappheiten im Edelmetallmarkt scheitern. Diese Erkenntnis stellt nicht nur bisherige Kostenmodelle infrage – sie könnte politisch und wirtschaftlich den dringend benötigten Schub für den Hochlauf der Wasserstoffinfrastruktur liefern. Entscheidend wird nun sein, ob es gelingt, die Skalierung in die industrielle Praxis zügig umzusetzen und regulatorisch zu begleiten.

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