Gewinnung eines sauberen Kraftstoffs aus Wasser

Mar 15, 2023

Ein reichliches Angebot an sauberer Energie ist offensichtlich. Es ist der Wasserstoff, den wir mit erneuerbarer Energie aus Wasser (H2O) gewinnen können. Im Kampf gegen den Klimawandel suchen Wissenschaftler nach kostengünstigen Methoden zur Herstellung von sauberem Wasserstoff aus Wasser, um fossile Brennstoffe zu ersetzen.

Wasserstoff kann Fahrzeuge antreiben und dabei nichts als Wasser ausstoßen. Wasserstoff ist auch eine wichtige Chemikalie für viele industrielle Prozesse, insbesondere bei der Stahlherstellung und der Ammoniakproduktion. Der Einsatz von sauberem Wasserstoff ist in diesen Branchen äußerst wünschenswert.

Ein multiinstitutionelles Team unter der Leitung des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE).hat einen kostengünstigen Katalysator entwickelt für einen Prozess, der aus Wasser sauberen Wasserstoff gewinnt. Weitere Mitwirkende sind die Sandia National Laboratories und das Lawrence Berkeley National Laboratory des DOE sowie Giner Inc.

„Ein Prozess namens Elektrolyse erzeugt Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser und gibt es schon seit mehr als einem Jahrhundert“, sagte Di-Jia Liu, leitender Chemiker bei Argonne. Er hat außerdem eine gemeinsame Anstellung an der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago inne.

Protonenaustauschmembran-Elektrolyseure (PEM) stellen eine neue Technologiegeneration für diesen Prozess dar. Sie können Wasser bei nahezu Raumtemperatur mit höherer Effizienz in Wasserstoff und Sauerstoff spalten. Der geringere Energiebedarf macht sie zur idealen Wahl für die Produktion von sauberem Wasserstoff durch Nutzung erneuerbarer, aber intermittierender Quellen wie Sonne und Wind.

Dieser Elektrolyseur wird mit separaten Katalysatoren für jede seiner Elektroden (Kathode und Anode) betrieben. Der Kathodenkatalysator erzeugt Wasserstoff, während der Anodenkatalysator Sauerstoff bildet. Ein Problem besteht darin, dass der Anodenkatalysator Iridium verwendet, dessen Marktpreis derzeit bei etwa 5.000 US-Dollar pro Unze liegt. Das mangelnde Angebot und die hohen Kosten von Iridium stellen ein großes Hindernis für die breite Einführung von PEM-Elektrolyseuren dar.

Der Hauptbestandteil des neuen Katalysators ist Kobalt, das wesentlich günstiger ist als Iridium. „Wir wollten einen kostengünstigen Anodenkatalysator in einem PEM-Elektrolyseur entwickeln, der Wasserstoff mit hohem Durchsatz erzeugt und dabei minimale Energie verbraucht“, sagte Liu. „Durch die Verwendung des mit unserer Methode hergestellten Katalysators auf Kobaltbasis könnte man den größten Kostenengpass bei der 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 anhand seiner PEM-Elektrolyseur-Teststationen unter industriellen Betriebsbedingungen evaluiert. Die Leistung und Haltbarkeit übertrafen die Katalysatoren der Konkurrenz bei weitem.

Um die Leistung des Katalysators weiter zu verbessern, ist es wichtig, den Reaktionsmechanismus auf atomarer Ebene unter Betriebsbedingungen des Elektrolyseurs zu verstehen. Das Team entschlüsselte kritische Strukturveränderungen, die im Katalysator unter Betriebsbedingungen auftreten, mithilfe von Röntgenanalysen an der Advanced Photon Source (APS) in Argonne. Sie identifizierten auch wichtige Katalysatormerkmale mithilfe der Elektronenmikroskopie bei Sandia Labs und am Center for Nanoscale Materials (CNM) von Argonne. APS und CNM sind beide Nutzereinrichtungen des DOE Office of Science.

„Wir haben die Atomstruktur auf der Oberfläche des neuen Katalysators in verschiedenen Phasen der Vorbereitung abgebildet“, sagte Jianguo Wen, ein Materialwissenschaftler aus den Argonnen.

Darüber hinaus lieferte die Computermodellierung im Berkeley Lab wichtige Erkenntnisse über die Haltbarkeit des Katalysators unter Reaktionsbedingungen.

Die Leistung des Teams ist ein Fortschritt in der Hydrogen Energy Earthshot-Initiative des DOE, die den „Moon Shot“ des US-Weltraumprogramms aus den 1960er Jahren nachahmt. Das ehrgeizige Ziel besteht darin, 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 Anwendungen gehören das Stromnetz, die Fertigung, der Transport sowie die Wohn- und Gewerbeheizung.

„Generell gesehen stellen unsere Ergebnisse einen vielversprechenden Weg dar, Katalysatoren aus teuren Edelmetallen durch Elemente zu ersetzen, die viel billiger und häufiger vorkommen“, bemerkte Liu.

Diese Forschung wurde in Science veröffentlicht und vom DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office sowie durch Argonne Laboratory Directed Research and Development-Mittel unterstützt.

Argonne-Autoren sind neben Liu auch 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 des Berkeley Lab gehören Guoping Gao, Haixia Li und Ling-Wang Wang. Der Autor von Sandia Labs ist Joshua D. Sugar. Die Mitwirkenden Zach Green und Hui Xu stammen von Giner Inc.

– Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website des Argonne National Laboratory veröffentlicht