Robert Klatt
Ein innovatives Doppelmembransystem kann Wasserstoff direkt aus salzigem Meerwasser produzieren. Die Entwicklung ist ein bedeutender Schritt für die industrielle Produktion CO₂-neutraler Kraftstoffe.
Stanford (U.S.A.). Die Herstellung von Wasserstoff aus Meerwasser ist bisher problematisch, weil aufgrund der unterschiedlichen Fremdstoffe eine kostenintensive und energieaufwendige Wasseraufbereitung erforderlich ist. Eine weitere Möglichkeit ist die Wasserstoffproduktion aus Süßwasser. Dieses enthält aber ebenfalls häufig Verunreinigungen und ist auf der Erde eine zunehmend knappe Ressource.
Die Wissenschaft arbeitet deshalb mit Hochdruck an neuen Technologien zur effizienten Wasserstoffgewinnung aus salzigem Wasser. Forscher der Tianjin University haben etwa ein optimiertes Elektrolyseverfahren entwickelt, mit dem in küstennahen Wüstenregionen grüner Wasserstoff produziert werden könnte.
Nun haben Wissenschaftler der Stanford University, des Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, der University of Oregon (UO) und der Manchester Metropolitan University (MMU) eine weitere Methode entwickelt, mit der effizient Wasserstoff aus Meerwasser gewonnen werden kann. Laut ihrer Publikation im Fachmagazin Joule nutzen sie dazu eine innovatives Doppelmembransystem, bei dessen Anwendung kaum schädliche Nebenprodukte entstehen. Laut den Autoren um Adam Nielander kann dies einen bedeutenden Beitrag zur Förderung der Herstellung kohlenstoffarmer Brennstoffe leisten.
„Viele heutige Systeme zur Umwandlung von Wasser in Wasserstoff versuchen, eine Monolage oder einlagige Membran zu verwenden. Unsere Studie hat zwei Schichten zusammengebracht. Diese Membranarchitekturen ermöglichten es uns, die Bewegung der Ionen im Meerwasser in unserem Experiment zu steuern.“
Für den Einsatz mit Meerwasser hat das Team ein bipolares Membransystem mit zwei Schichten eingeführt und dieses mittels Elektrolyse getestet, ein Verfahren, das Strom nutzt, um Ionen, also geladene Elemente, zur Ausführung einer gewünschten Reaktion zu bewegen. Die Gestaltung begannen sie mit der Kontrolle des für das Meerwassersystem schädlichsten Elements Chlorid, erklärte Joseph Perryman.
„Es gibt viele reaktive Inhaltsstoffe im Meerwasser, die die Wasser-zu-Wasserstoff-Reaktion stören können, und das Natriumchlorid, das Meerwasser salzig macht, ist einer der Hauptübeltäter. Insbesondere Chlorid, das zur Anode gelangt und oxidiert, verkürzt die Lebensdauer eines Elektrolysesystems und kann tatsächlich aufgrund der toxischen Natur der Oxidationsprodukte, die molekulares Chlor und Bleiche einschließen, unsicher werden.“
Ein ideales Membransystem würde drei wesentliche Funktionen erfüllen, nämlich Wasserstoff- und Sauerstoffgase aus dem Meerwasser trennen, lediglich die nützlichen Wasserstoff- und Hydroxidionen durchlassen, während andere Meerwasserionen zurückgehalten werden und unerwünschte Reaktionen verhindern. Es ist schwierig, all diese drei Aspekte zusammenzufassen, und die Forschung des Teams zielt darauf ab, Systeme zu erforschen, die all diese Anforderungen effizient kombinieren können.
In ihrem speziellen Experiment passieren Protonen, also positive Wasserstoffionen, eine der Membranschichten und gelangen an einen Ort, an dem sie gesammelt und durch Interaktion mit einer negativ geladenen Elektrode in Wasserstoffgas umgewandelt werden können. Die zweite Membran im System lässt nur negative Ionen, wie Chlorid, durch.
Zusätzlich enthält eine Membranschicht fest verankerte, negativ geladene Gruppen, was es anderen negativ geladenen Ionen, wie Chlorid, erschwert, an Orte zu gelangen, an denen sie nicht sein sollten. Die negativ geladene Membran erwies sich als äußerst effektiv bei der Blockierung fast aller Chloridionen in den Experimenten des Teams, und ihr System arbeitete, ohne toxische Nebenprodukte wie Bleiche und Chlor zu erzeugen.
Neben der Entwicklung eines Membransystems zur Umwandlung von Meerwasser in Wasserstoff trägt die Studie auch zu einem besseren generellen Verständnis der Bewegung von Meerwasserionen durch Membranen bei, so die Forscher. Dieses Wissen kann Wissenschaftlern dabei helfen, stärkere Membranen für andere Anwendungen zu entwerfen, wie die Produktion von Sauerstoffgas, erklärt Daniela Marin.
„Es besteht auch ein Interesse daran, Elektrolyse zur Produktion von Sauerstoff zu verwenden. Das Verständnis für den Ionentransport und die Umwandlung in unserem bipolaren Membransystem ist auch für diese Bemühung von entscheidender Bedeutung. Neben der Produktion von Wasserstoff in unserem Experiment haben wir auch gezeigt, wie man das bipolare Membran zur Erzeugung von Sauerstoffgas nutzen kann.“
Als nächsten Schritt planen die Wissenschaftler, ihre Elektroden und Membranen durch den Einsatz von Materialien zu verbessern, die häufiger vorkommen und leichter abgebaut werden können. Diese Verbesserung könnte es ermöglichen, das Elektrolysesystem einfacher zu vergrößern, um die zur Energiegewinnung für energieintensive Aktivitäten, etwa im Verkehrssektor, benötigte Menge an Wasserstoff zu erzeugen.
Wie Thomas Jaramillo erklärt, erhoffen sich die Forscher zudem, ihre Elektrolysezellen zur Stanford Synchrotron Strahlungslichtquelle (SSRL) des SLAC zu bringen, wo sie die atomare Struktur von Katalysatoren und Membranen mithilfe der intensiven Röntgenstrahlen der Anlage untersuchen können.
„Die Zukunft sieht rosig aus für Technologien im Bereich des grünen Wasserstoffs. Die grundlegenden Erkenntnisse, die wir gewinnen, sind entscheidend, um zukünftige Innovationen für eine verbesserte Leistung, Langlebigkeit und Skalierbarkeit dieser Technologie zu informieren.“
Joule, doi: 10.1016/j.joule.2023.03.005
