Wissenschaftler nutzen Sonnenlicht und Flüssigmetall zur Herstellung von sauberem Wasserstoff aus Wasser
Neues Verfahren umgeht bisherige Grenzen der Elektrolyse
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Forscher haben mit Hilfe von Flüssigmetallen ein Verfahren entwickelt, das mit Hilfe von Sonnenlicht sauberen Wasserstoff sowohl aus Süß- als auch aus Meerwasser erzeugen kann. Die Methode ermöglicht es den Forschern, Wasserstoffmoleküle aus Wasser zu "ernten" und gleichzeitig viele der Grenzen der derzeitigen Wasserstoffproduktionsmethoden zu umgehen. Sie bietet einen neuen Weg zur Erforschung der Erzeugung von grünem Wasserstoff als nachhaltige Energiequelle.
Gallium
Philip Ritchie
Wasserstoff als grüner Energieträger steht seit langem im Mittelpunkt des Interesses zahlreicher Wissenschaftler und Unternehmen. Seit Jahrzehnten sind Forscher auf der Suche nach der wirtschaftlichsten Methode zur zuverlässigen Herstellung von grünem Wasserstoff für die Energie-, Verkehrs-, Produktions- und Agrarindustrie, um die Produktion in zahlreichen Sektoren der Weltwirtschaft zu verändern.
"Wir haben jetzt einen Weg gefunden, nachhaltigen Wasserstoff mit Hilfe von Meerwasser zu extrahieren, der leicht zugänglich ist und sich bei der Produktion von grünem Wasserstoff ausschließlich auf Licht stützt", so der Erstautor und Doktorand Luis Campos.
Der leitende Forscher Professor Kourosh Kalantar-Zadeh von der School of Chemical and Biomolecular Engineering sagt, die Studie sei ein beeindruckendes Beispiel dafür, wie die natürliche Chemie von Flüssigmetallen Wasserstoff erzeugen kann. Sein Team produzierte Wasserstoff mit einem maximalen Wirkungsgrad von 12,9 Prozent, das Team arbeitet derzeit daran, den Wirkungsgrad für die Kommerzialisierung zu verbessern.
"Für den ersten Proof-of-Concept halten wir den Wirkungsgrad dieser Technologie für sehr wettbewerbsfähig. Solarzellen auf Siliziumbasis beispielsweise begannen in den 1950er Jahren mit sechs Prozent und überschritten erst in den 1990er Jahren die 10-Prozent-Marke".
"Wasserstoff bietet eine saubere Energielösung für eine nachhaltige Zukunft und könnte eine Schlüsselrolle für Australiens internationalen Vorsprung in einer Wasserstoffwirtschaft spielen", sagt Dr. Francois Allioux, Mitleiter des Projekts.
Das Herzstück der Technologie ist Gallium, ein Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt, was bedeutet, dass es weniger Energie benötigt, um von einem festen in einen flüssigen Zustand überzugehen. Das Team von Professor Kalantar-Zadeh lotet seit Jahren die chemischen und technischen Grenzen von Flüssigmetallen aus, um neue Materialien zu entwickeln. Die Fähigkeit von Galliumpartikeln, Licht zu absorbieren, erregte ihre Aufmerksamkeit.
Das Ergebnis dieser Entdeckung war eine Technologie, die auf einem zirkulären chemischen Prozess beruht: Galliumpartikel werden entweder in Meer- oder Süßwasser suspendiert und unter Sonnen- oder Kunstlicht aktiviert. Das Gallium reagiert mit dem Wasser zu Galliumoxyhydroxid und setzt Wasserstoff frei.
"Nachdem wir den Wasserstoff gewonnen haben, kann das Galliumoxyhydroxid wieder zu Gallium reduziert und für die künftige Wasserstoffproduktion wiederverwendet werden - wir sprechen hier von einem Kreislaufprozess", sagt Professor Kalantar-Zadeh.
Gallium in flüssigem Zustand ist ein faszinierendes Element. Bei Raumtemperatur sieht es wie ein festes Metall aus, aber wenn es auf Körpertemperatur erwärmt wird, verwandelt es sich in flüssige Metallpfützen.
Herr Campos sagte, dass die Oberfläche von flüssigem Gallium chemisch sehr "nicht klebrig" ist und die meisten Materialien unter normalen Bedingungen nicht an ihr haften. Wenn es jedoch in Wasser dem Licht ausgesetzt wird, reagiert das flüssige Gallium an seiner Oberfläche und oxidiert und korrodiert allmählich. Bei dieser Reaktion entstehen auf der Oberfläche reiner Wasserstoff und Galliumoxydhydroxid.
"Gallium wurde bisher noch nicht als eine Möglichkeit erforscht, in Kontakt mit Wasser Wasserstoff in hohen Raten zu erzeugen - eine so einfache Beobachtung, die bisher ignoriert wurde", sagt Professor Kalantar-Zadeh.
Die von der Universität Sydney geleitete Forschungsarbeit wurde in Nature Communications veröffentlicht.
Warum Wissenschaftler so scharf auf Wasserstoffmoleküle sind
Viele Industriezweige und Wissenschaftler sind der Meinung, dass Wasserstoff der ideale Kandidat für eine nachhaltige Energiequelle ist, die wesentlich zur Verringerung der Treibhausgasemissionen beiträgt. Grüner" Wasserstoff wird, wie der Name schon sagt, aus erneuerbaren Quellen hergestellt.
Wasserstoff ist eines der am häufigsten vorkommenden Elemente auf der Erde und kann auch aus einer Vielzahl von Verbindungen gewonnen werden, z. B. aus Wasser (Wasser hat zwei Wasserstoffmoleküle). Bei der Verbrennung von Wasserstoff entstehen keine Schadstoffe, sondern nur Wasser, und dennoch kann ein hohes Maß an Energie oder Strom erzeugt werden.
Die Bemühungen um die Erzeugung von grünem Wasserstoff konzentrierten sich auf die "Wasserspaltung": die Spaltung von Atomen in Wassermolekülen zur Freisetzung von Wasserstoff mit Methoden wie Elektrolyse, Photokatalyse und Plasma (künstlicher Blitz).
Der Prozess, der zur Trennung von Wasserstoff- und Sauerstoffatomen im Wasser erforderlich ist, stößt jedoch auf zahlreiche Hindernisse, darunter die Notwendigkeit, gereinigtes Wasser zu verwenden, hohe Kosten zu verursachen oder eine geringe Ausbeute an Wasserstoff zu erzielen.
Die von Professor Kalantar-Zadehs Team vorgestellte Methode mit flüssigem Gallium umgeht viele dieser Hindernisse. Die Methode kann sowohl Meer- als auch Süßwasser verwenden, und da es sich um einen Kreislaufprozess handelt, kann das Gallium in der Reaktion wiederverwendet werden.
Professor Kalantar-Zadeh sagte: "Es besteht ein weltweiter Bedarf an der Kommerzialisierung einer hocheffizienten Methode zur Herstellung von grünem Wasserstoff. Unser Verfahren ist effizient und lässt sich leicht vergrößern".
Das Team arbeitet nun daran, die Effizienz der Technologie zu steigern, und sein nächstes Ziel ist die Errichtung eines mittelgroßen Reaktors zur Wasserstoffgewinnung.
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