Recyclingverfahren für Edelmetalle aus Elektrolyseuren

Das Projekt „Recycalyse“ an der TU Bergakademie Freiberg.

Wasserstoff aus der Elektrolyse mit erneuerbaren Energien gilt als Schlüsselelement der Energiewende. Mittels Katalysatoren wird Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Für die elektrochemische Reaktion sind Edelmetalle wie Platin, Iridium oder Ruthenium als Katalysatoren notwendig. Wie das Recycling dieser Metalle verbessert werden kann, prüfte ein europäisches Forschungsprojekt mit Beteiligung der TU Bergakademie Freiberg und unter der Leitung von Prof. Alexandros Charitos. Der Fokus lag auf hydrometallurgischen Recyclingmethoden. Dabei wird das Katalysator-Material in eine wässrige Lösung überführt und im Anschluss als Salz oder Metall in fester und möglichst reiner Form zurückgewonnen.

„Die Rückgewinnung der verschiedenen Katalysatorschichten aus Edelmetallen – das Herzstück des Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs (PEM-Elektrolyseur) – benötigt bislang einen energieaufwändigen und potenziell umweltschädlichen Verfahrensschritt. Im Projekt Recycalyse verfolgen wir einen Recyclingprozess, bei dem die Katalysatorschichten von der Fluor-haltigen Membran getrennt werden“, erklärt Dr. Lesia Sandig-Predzymirska. Die Edelmetalle der vorkonzentrierten Katalysatorschichten können dann mit milderen und umweltschonenderen Laugungsmitteln recycelt werden. „So werden Ausgangsstoffe hergestellt, die direkt für die Produktion neuer Elektrokatalysatoren verwendet werden können, um den Materialkreislauf zu schließen“, sagt die wissenschaftliche Mitarbeiterin im Forschungsprojekt.

Rückgewinnung von Ruthenium
Ein neu entwickelter Katalysator aus Iridium und Ruthenium erwies sich als der effizienteste für die Sauerstoffentwicklungsreaktion auf der Anodenseite der Zelle. Als Trägermaterial für die Edelmetalle fungierte statt Kohlenstoff ein Antimon-dotiertes Zinnoxid. „Wir haben ein hydrometallurgisches Verfahren zur Rückgewinnung von Ruthenium entwickelt und patentiert, bei dem kostengünstige Chemikalien eingesetzt werden, um die für die Industrie wertvollen Rutheniumkomplexe effizient zu gewinnen“, berichtet Sandig-Predzymirska. Rutheniumkomplexe werden nicht nur in der chemischen Industrie für die Herstellung von Katalysatoren verwendet, sondern auch in vielen anderen Bereichen wie Elektronikindustrie, Medizin, Biologie, Nanowissenschaften und Solarzellenherstellung eingesetzt. Zusammen mit einem neu entwickelten Trennverfahren der einzelnen Metallionen erreichte das Team eine Metall-Rückgewinnung von über 90 Prozent der enthaltenen Edelmetalle.

Hintergrund: Aufbau einer PEM-Elektrolysezelle
Eine dünne Membran in der Mitte der PEM-Elektrolysezelle ist für Protonen (H+) durchlässig, verhindert jedoch den Transport von Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2). Diese Membran wird mit einer Anoden- und gegenüber mit einem Kathoden-Katalysator beschichtet. Die Schicht besteht aus dem Katalysator auf dem Trägermaterial, das für eine gleichmäßige elektrochemische Reaktion mit einem ionenleitenden plastischen Kunststoff (Ionomer) vermischt ist. Sobald eine elektrische Spannung an die Elektroden angelegt wird, bildet sich Wasserstoff an der Kathode und an der Anode Sauerstoff. Zuerst wird auf der Anodenseite Wasser zugeführt; dann führt die katalytische Wirkung des Edelmetall-Katalysators zur Zersetzung des Wassers. Es entstehen Sauerstoff (O2), Elektronen (e-) und Protonen (H+). Die Protonen fließen durch die protonenleitende Membran zur Kathodenseite, wo sie mit den Elektronen Wasserstoff erzeugen.

(Erschienen im EU-Recycling Magazin 09/2023, Seite 45, Foto: geralt / pixabay.com)