12.01.2021 - Oregon State University

Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser

Forscher machen wichtigen Schritt zur sauberen, nachhaltigen Wasserstoffproduktion

Die effiziente Massenproduktion von Wasserstoff aus Wasser ist dank Forschern des Oregon State University College of Engineering und Mitarbeitern der Cornell University und des Argonne National Laboratory ein Stück näher an der Verwirklichung.

Die Wissenschaftler nutzten fortschrittliche experimentelle Werkzeuge, um ein klareres Verständnis eines elektrochemischen katalytischen Prozesses zu entwickeln, der sauberer und nachhaltiger ist als die Gewinnung von Wasserstoff aus Erdgas.

Wasserstoff kommt in einer Vielzahl von Verbindungen auf der Erde vor, am häufigsten in Verbindung mit Sauerstoff, um Wasser zu bilden, und hat viele wissenschaftliche, industrielle und energiebezogene Funktionen. Er kommt auch in Form von Kohlenwasserstoffen vor, Verbindungen, die aus Wasserstoff und Kohlenstoff bestehen, wie z. B. Methan, der Hauptbestandteil von Erdgas.

"Die Produktion von Wasserstoff ist für viele Aspekte unseres Lebens wichtig, wie z. B. Brennstoffzellen für Autos und die Herstellung vieler nützlicher Chemikalien wie Ammoniak", sagte Zhenxing Feng von der Oregon State University, ein Professor für Chemietechnik, der die Studie leitete. "Es wird auch bei der Raffination von Metallen, zur Herstellung von künstlichen Materialien wie Kunststoffen und für eine Reihe anderer Zwecke verwendet."

Nach Angaben des US-Energieministeriums wird in den USA der meiste Wasserstoff aus einer Methanquelle wie z. B. Erdgas durch eine Technik namens Dampf-Methan-Reformierung erzeugt. Bei diesem Verfahren wird Methan in Gegenwart eines Katalysators mit unter Druck stehendem Dampf beaufschlagt, wodurch eine Reaktion entsteht, bei der Wasserstoff und Kohlenmonoxid sowie eine geringe Menge Kohlendioxid erzeugt werden.

Der nächste Schritt wird als Wasser-Gas-Shift-Reaktion bezeichnet, bei der das Kohlenmonoxid und der Dampf über einen anderen Katalysator umgesetzt werden, wobei Kohlendioxid und zusätzlicher Wasserstoff entstehen. Im letzten Schritt, der Druckwechseladsorption, werden Kohlendioxid und andere Verunreinigungen entfernt, zurück bleibt reiner Wasserstoff.

"Im Vergleich zur Erdgasreformierung ist die Nutzung von Strom aus erneuerbaren Quellen zur Aufspaltung von Wasser für Wasserstoff sauberer und nachhaltiger", so Feng. "Allerdings ist der Wirkungsgrad der Wasserspaltung gering, vor allem wegen des hohen Überpotentials - der Differenz zwischen dem tatsächlichen Potential und dem theoretischen Potential einer elektrochemischen Reaktion - einer wichtigen Halbreaktion im Prozess, der Sauerstoffentwicklungsreaktion oder OER."

Eine Halbreaktion ist einer der beiden Teile einer Redox- oder Reduktions-Oxidations-Reaktion, bei der Elektronen zwischen zwei Reaktanten übertragen werden; Reduktion bedeutet die Aufnahme von Elektronen, Oxidation den Verlust von Elektronen.

Das Konzept der Halbreaktionen wird oft verwendet, um zu beschreiben, was in einer elektrochemischen Zelle vor sich geht, und Halbreaktionen werden üblicherweise als Mittel zum Ausgleich von Redoxreaktionen verwendet. Das Überpotential ist die Spanne zwischen der theoretischen Spannung und der tatsächlichen Spannung, die notwendig ist, um eine Elektrolyse auszulösen - eine chemische Reaktion, die durch das Anlegen von elektrischem Strom angetrieben wird.

"Elektrokatalysatoren sind entscheidend für die Förderung der Wasserspaltungsreaktion, indem sie die Überspannung senken, aber die Entwicklung von Hochleistungs-Elektrokatalysatoren ist alles andere als einfach", sagte Feng. "Eine der größten Hürden ist der Mangel an Informationen über die sich entwickelnde Struktur der Elektrokatalysatoren während der elektrochemischen Operationen. Das Verständnis der strukturellen und chemischen Entwicklung des Elektrokatalysators während der OER ist essentiell für die Entwicklung hochwertiger Elektrokatalysator-Materialien und damit für die Nachhaltigkeit der Energieversorgung."

Feng und seine Mitarbeiter verwendeten eine Reihe von fortschrittlichen Charakterisierungswerkzeugen, um die atomare strukturelle Entwicklung eines hochmodernen OER-Elektrokatalysators, Strontiumiridat (SrIrO3), in einem sauren Elektrolyten zu untersuchen.

"Wir wollten den Ursprung seiner rekordverdächtigen Aktivität für die OER verstehen - 1.000 Mal höher als der übliche kommerzielle Katalysator, Iridiumoxid", sagte Feng. "Mit Hilfe von Synchrotron-Röntgenanlagen in Argonne und laborgestützter Röntgen-Photoelektronenspektroskopie am Standort der Northwest Nanotechnology Infrastructure an der OSU beobachteten wir die oberflächenchemische und kristalline-zu-amorphe Umwandlung von SrIrO3 während des OER."

Die Beobachtungen führten zu einem tiefen Verständnis dessen, was hinter der Fähigkeit von Strontiumiridat steckt, so gut als Katalysator zu funktionieren.

"Unsere detaillierten Erkenntnisse auf atomarer Ebene erklären, wie sich die aktive Schicht auf Strontiumiridat bildet und weisen auf die kritische Rolle der Aktivierung des Gittersauerstoffs und der gekoppelten Ionendiffusion bei der Bildung der aktiven OER-Einheiten hin", sagte er.

Feng fügte hinzu, dass die Arbeit Aufschluss darüber gibt, wie das angelegte Potenzial die Bildung der funktionalen amorphen Schichten an der elektrochemischen Grenzfläche erleichtert und zu Möglichkeiten für das Design besserer Katalysatoren führt.

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