Gewinnung eines sauberen Brennstoffs aus Wasser

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Treibstoff aus Wasser
Treibstoff aus Wasser

Ein reichhaltiger Vorrat an sauberer Energie liegt auf der Hand. Es ist der Wasserstoff, den wir mit erneuerbarer Energie aus Wasser (H2O) gewinnen können. Im Rahmen der Bekämpfung des Klimawandels suchen Wissenschaftler nach kostengünstigen Methoden zur Herstellung von sauberem Wasserstoff aus Wasser, um fossile Brennstoffe zu ersetzen.

Wasserstoff kann Fahrzeuge antreiben, wobei nichts als Wasser emittiert wird. Wasserstoff ist auch eine wichtige Chemikalie für viele industrielle Prozesse, vor allem in der Stahlherstellung und bei der Ammoniakproduktion. Die Verwendung von sauberem Wasserstoff ist in diesen Industriezweigen äußerst wünschenswert.

Ein Team mehrerer Institutionen unter der Leitung des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) hat einen kostengünstigen Katalysator für ein Verfahren entwickelt, mit dem sauberer Wasserstoff aus Wasser gewonnen werden kann. Auch die Sandia National Laboratories und das Lawrence Berkeley National Laboratory des DOE sowie das Unternehmen Giner Inc. haben dazu beigetragen.

„Ein Prozess, der Elektrolyse genannt wird, produziert Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser und ist seit mehr als einem Jahrhundert bekannt“, sagte Di-Jia Liu, leitender Chemiker in Argonne. Er hat auch eine gemeinsame Stelle an der Pritzker School of Molecular Engineering der Universität von Chicago.

Protonenaustauschmembran-Elektrolyseure (PEM-Elektrolyseure) stellen eine neue Generation von Technologien für diesen Prozess dar. Sie können Wasser mit höherer Effizienz bei nahezu Raumtemperatur in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten. Der geringere Energiebedarf macht sie zu einer idealen Wahl für die Erzeugung von sauberem Wasserstoff aus erneuerbaren, aber unsteten Energiequellen wie Sonne und Wind.

Dieser Elektrolyseur arbeitet mit separaten Katalysatoren für jede seiner Elektroden (Kathode und Anode). Der Kathodenkatalysator erzeugt Wasserstoff, während der Anodenkatalysator Sauerstoff bildet. Ein Problem ist, dass für den Anodenkatalysator Iridium verwendet wird, das derzeit einen Marktpreis von rund 5.000 Dollar pro Unze hat. Das mangelnde Angebot und die hohen Kosten für Iridium stellen ein großes Hindernis für die breite Einführung von PEM-Elektrolyseuren dar.

Der Hauptbestandteil des neuen Katalysators ist Kobalt, das wesentlich billiger ist als Iridium. „Wir haben versucht, einen kostengünstigen Anodenkatalysator für einen PEM-Elektrolyseur zu entwickeln, der Wasserstoff bei hohem Durchsatz und minimalem Energieverbrauch erzeugt“, so Liu. „Durch die Verwendung des mit unserer Methode hergestellten Katalysators auf Kobaltbasis könnte man den Hauptengpass der Kosten für die Herstellung von sauberem Wasserstoff in einem Elektrolyseur beseitigen.

Giner Inc., ein führendes Forschungs- und Entwicklungsunternehmen, das an der Kommerzialisierung von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen arbeitet, hat den neuen Katalysator in seinen PEM-Elektrolyseur-Teststationen unter industriellen Betriebsbedingungen getestet. Die Leistung und Haltbarkeit übertraf bei weitem die der Katalysatoren der Konkurrenz.

Wichtig für die weitere Verbesserung der Katalysatorleistung ist das Verständnis des Reaktionsmechanismus auf atomarer Ebene unter den Betriebsbedingungen des Elektrolyseurs. Das Team entschlüsselte kritische strukturelle Veränderungen, die im Katalysator unter Betriebsbedingungen auftreten, mit Hilfe von Röntgenanalysen an der Advanced Photon Source (APS) in Argonne. Außerdem identifizierten sie wichtige Katalysatormerkmale mit Hilfe der Elektronenmikroskopie in den Sandia Labs und im Center for Nanoscale Materials (CNM) von Argonne. Die APS und das CNM sind beides Nutzereinrichtungen des DOE Office of Science.

„Wir haben die atomare Struktur auf der Oberfläche des neuen Katalysators in verschiedenen Stadien der Vorbereitung abgebildet“, sagte Jianguo Wen, ein Materialwissenschaftler aus Argonne.

Darüber hinaus lieferte die rechnerische Modellierung am Berkeley Lab wichtige Erkenntnisse über die Haltbarkeit des Katalysators unter Reaktionsbedingungen.

Katalysatoren aus teuren Edelmetallen durch Elemente ersetzen

Die Errungenschaft des Teams ist ein Schritt nach vorn in der Wasserstoff-Earthshot-Initiative des DOE, die dem „Moon Shot“ des US-Raumfahrtprogramms in den 1960er Jahren nachempfunden ist. Ihr ehrgeiziges Ziel ist es, die Kosten für die Produktion von grünem Wasserstoff innerhalb eines Jahrzehnts auf einen Dollar pro Kilogramm zu senken. Die Produktion von grünem Wasserstoff zu diesen Kosten könnte die Wirtschaft des Landes umgestalten. Zu den Anwendungsbereichen gehören das Stromnetz, die Fertigung, das Verkehrswesen und die Beheizung von Wohnhäusern und Geschäften.

„Unsere Ergebnisse zeigen einen vielversprechenden Weg auf, um Katalysatoren aus teuren Edelmetallen durch Elemente zu ersetzen, die viel billiger und reichlicher vorhanden sind“, so Liu.

Diese Forschungsarbeit wurde am 12. Mai in Science veröffentlicht und wurde vom DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office, sowie von Argonne Laboratory Directed Research and Development unterstützt.

Neben Liu sind die Argonne-Autoren Lina Chong (jetzt an der Shanghai Jiao Tong University), Jianguo Wen, Haiping Xu, A. Jeremy Kropf, Wenqian Xu und Xiao-Min Lin. Zu den Autoren von Berkeley Lab gehören Guoping Gao, Haixia Li und Ling-Wang Wang. Der Autor von Sandia Labs ist Joshua D. Sugar. Die Autoren Zach Green und Hui Xu sind von Giner Inc.