14.09.2022 - University of Houston

Neuer Katalysator bietet kostengünstigere Möglichkeit zur Herstellung von Wasserstoff aus Meerwasser

Forscher entdecken Einzelkatalysator, der sowohl Süßwasser als auch Meerwasser bei niedriger Spannung spalten kann

Wasserstoff hat in den letzten Jahren als potenzielle Quelle für saubere Energie Aufmerksamkeit erregt, da er ohne klimaschädliche Emissionen verbrennt. Herkömmliche Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff haben jedoch einen erheblichen Kohlenstoff-Fußabdruck, und sauberere Methoden sind teuer und technisch komplex.

Jetzt berichten Forscher über einen bedeutenden Fortschritt: einen Zwei-Elektroden-Katalysator, der sich auf eine einzige Verbindung stützt, um effizient Wasserstoff und Sauerstoff sowohl aus Meer- als auch aus Süßwasser zu erzeugen. Frühere Versuche mit solchen bifunktionalen Katalysatoren zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff haben im Allgemeinen zu einer schlechten Leistung in einer der beiden Funktionen geführt. Die Verwendung von zwei getrennten Katalysatoren funktioniert zwar, erhöht aber die Herstellungskosten der Katalysatoren.

In ihrer in der Zeitschrift Energy & Environmental Science beschriebenen Arbeit berichten Forscher der University of Houston, der Chinese University of Hong Kong und der Central China Normal University über die Verwendung einer Nickel/Molybdän/Stickstoff-Verbindung, die mit einer geringen Menge Eisen verfeinert und auf Nickelschaum gezüchtet wurde, um effizient Wasserstoff zu erzeugen und dann durch einen Prozess der elektrochemischen Rekonstruktion, der durch eine zyklische Spannung ausgelöst wird, in eine Verbindung umgewandelt wird, die eine ähnlich starke Sauerstoffentwicklungsreaktion erzeugt.

Die Forscher erklärten, dass die Verwendung einer einzigen Verbindung sowohl für die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) als auch für die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) - wenn auch leicht verändert durch den Rekonstruktionsprozess - nicht nur die Wasserspaltung erschwinglicher macht, sondern auch die technischen Herausforderungen vereinfacht.

Die meisten Materialien sind entweder für die HER oder die OER am besten geeignet, aber beide Reaktionen sind erforderlich, um die chemische Reaktion zu vervollständigen und Wasserstoff aus Wasser zu erzeugen. Zhifeng Ren, Direktor des Texas Center for Superconductivity an der UH und korrespondierender Autor der Studie, sagte, der neue Katalysator ermögliche nicht nur einen effizienten Betrieb mit einem einzigen Katalysator, sondern funktioniere auch in Meer- und Süßwasser gleichermaßen gut. "Verglichen mit bestehenden Katalysatoren ist dies die beste jemals gemeldete Lösung", sagte er.

Bei Verwendung von alkalischem Meerwasser und unter quasi-industriellen Bedingungen lieferte der Katalysator eine Stromdichte von 1.000 Milliampere/Quadratzentimeter bei einer Spannung von nur 1,56 Volt im Meerwasser und blieb bei den Tests 80 Stunden lang stabil.

Die starke Leistung des Katalysators im Meerwasser könnte ein Problem lösen: Die meisten verfügbaren Katalysatoren funktionieren am besten in Süßwasser. Die Spaltung von Meerwasser ist komplizierter, unter anderem wegen der Korrosion, die durch das Salz und andere Mineralien entsteht. Ren, der auch M.D. Anderson Professor für Physik an der UH ist, sagte, dass der neue Katalysator auch reinen Sauerstoff erzeugt und damit das potenzielle Nebenprodukt des korrosiven Chlorgases vermeidet, das bei einigen Katalysatoren entsteht.

Die Süßwasservorräte sind jedoch aufgrund von Dürre und Bevölkerungswachstum zunehmend begrenzt. Meerwasser hingegen ist im Überfluss vorhanden. "Normalerweise erfordert ein Katalysator, selbst wenn er für salziges Wasser funktioniert, einen höheren Energieverbrauch", so Ren. "In diesem Fall ist es eine sehr gute Nachricht, dass er fast den gleichen Energieverbrauch wie Süßwasser benötigt".

Shuo Chen, außerordentlicher Professor für Physik an der UH und Mitverfasser der Studie, sagte, dass die hohe Stromdichte des Katalysators bei einer relativ niedrigen Spannung die Energiekosten für die Herstellung von Wasserstoff senkt. Aber das ist nur eine Möglichkeit, wie der Katalysator die Erschwinglichkeit verbessern kann, so Chen, der auch ein leitender Forscher bei der TcSUH ist.

Durch die Verwendung eines Materials - der mit Eisen veredelten Nickel/Molybdän/Stickstoff-Verbindung - für den HER und die anschließende Verwendung der Zyklusspannung zur Auslösung einer elektrochemischen Rekonstruktion zur Herstellung eines etwas anderen Materials, eines Eisenoxid/Molybdän/Nickeloxids, für den OER, können die Forscher auf einen zweiten Katalysator verzichten und gleichzeitig die technischen Anforderungen vereinfachen, so Chen.

"Wenn man ein Gerät mit zwei verschiedenen Materialien auf zwei Elektroden herstellt, muss man herausfinden, wie die elektrische Ladung durch jede Elektrode fließen kann, und die Struktur so gestalten, dass sie dazu passt", sagte sie. "In diesem Fall ist das Material nicht genau dasselbe, weil eine (Elektrode) elektrochemisch umgebaut wird, aber es ist ein sehr ähnliches Material, so dass die Konstruktion einfacher ist."

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