Katalysator zur Wasserspaltung erzeugt Wasserstoff bei niedrigen Temperaturen
Neuartiges Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff als Kraftstoff ist kostengünstiger als bisherige Methoden
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Forschungsarbeiten der Universität Birmingham haben ein neues Niedertemperaturverfahren zur Herstellung von Wasserstoff aufgezeigt, das sich sowohl für die zentrale Wasserstofferzeugung als auch für die lokale Erzeugung unter Nutzung der Abwärme von industriellen Großanlagen eignet.
Wissenschaftler unter der Leitung von Professor Yulong Ding haben gezeigt, dass es möglich ist, die Temperatur der thermochemischen Spaltung, bei der ein Katalysator Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet, durch den Einsatz eines Perowskit-Katalysators um 500 °C zu senken.
University of Birmingham
Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum und ein sauberer und umweltfreundlicher Energieträger. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen, die schädliche Emissionen und Kohlendioxid erzeugen, entstehen bei seiner Verbrennung nur Wärme und Wasser, und er kann auch Brennstoffzellen zur Stromerzeugung betreiben. Doch obwohl Wasserstoff am Verwendungsort kohlenstofffrei ist, sind 95 % der derzeitigen Produktion auf fossile Brennstoffe angewiesen.
Die thermochemische Spaltung, bei der ein Katalysator Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet, entwickelt sich zu einer vielversprechenden Methode für die Wasserstofferzeugung. Die derzeitigen Katalysatoren spalten Wasser jedoch bei 700-1000°C und benötigen Temperaturen zwischen 1300 und 1500°C, um sich zwischen den einzelnen Spaltungszyklen zu regenerieren.
Wissenschaftler unter der Leitung von Professor Yulong Ding von der School of Chemical Engineering der Universität haben gezeigt, dass es möglich ist, die Temperatur durch den Einsatz eines Perowskit-Katalysators um 500°C zu senken.
Ihre im International Journal of Hydrogen Energy veröffentlichten Forschungsergebnisse zeigen, dass der Katalysator in einem Temperaturbereich von 150-500°C eine beträchtliche Menge an Wasserstoff erzeugen und bei Temperaturen zwischen 700 und 1000°C regeneriert werden kann.
Professor Ding sagte: "Die niedrigere Gesamttemperatur des Prozesses könnte es ermöglichen, Wasserstoff in der Nähe von Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien zu produzieren, und in der Grundstoffindustrie wie Stahl, Zement, Glas und Chemie gibt es eine Fülle von Abwärme, die als Wärmequelle für die Niedertemperatur-Wasserstoffproduktion genutzt werden könnte. Wenn der Wasserstoff vor Ort genutzt wird, würden die Hindernisse der Speicherung und des Transports überwunden, so dass die Verbreitung von Wasserstoffkraftstoff ohne kostspielige Infrastruktur möglich wäre.
Eine vorläufige Analyse der Kostenwettbewerbsfähigkeit hat gezeigt, dass die Wasserspaltung mit dem Perowskit-Katalysator Wasserstoff zu niedrigeren Kosten liefern kann als grüner Wasserstoff (aus Wasser durch Elektrolyse hergestellt) oder blauer Wasserstoff (aus Methan mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung hergestellt). Der Kostenvorteil war in Regionen mit niedrigen Tarifen für erneuerbare Energien, wie z. B. in Australien, besonders ausgeprägt.
Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen einer Zusammenarbeit mit der University of Science and Technology Beijing (USTB) durchgeführt und werden von der University of Birmingham im Vereinigten Königreich und in Europa vermarktet. Die University of Birmingham Enterprise hat einen Patentantrag für die Verwendung von BNCF-Katalysatoren zur Wasserspaltung bei niedrigen Temperaturen eingereicht und sucht derzeit nach Entwicklungspartnern, um diesen vielversprechenden Ansatz voranzutreiben.
Warum thermochemische Spaltung?
Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum, kommt aber auf der Erde relativ selten in Form von reinem Wasserstoffgas vor. Er ist vor allem in anderen Molekülen gebunden, am häufigsten in Wasser und Kohlenwasserstoffen wie Erdgas, das hauptsächlich Methan enthält, Kohle oder Öl. Um Wasserstoff zu erzeugen, müssen diese Moleküle in ihre Bestandteile aufgespalten werden.
Die am weitesten verbreitete Methode zur Wasserstofferzeugung ist die Aufspaltung von Methan durch Dampfreformierung. Diese Methode macht fast die Hälfte des heute produziertenWasserstoffs aus, erzeugt aber als NebenproduktCO2, was ihr Potenzial als kohlenstofffreie Energiequelle untergräbt, es sei denn, sie wird mit der Abscheidung und Speicherung von Kohlenstoff gekoppelt. Die Elektrolyse ist eine umweltfreundlichere Methode derH2-Erzeugung, aber sie steht in Konkurrenz zum billigeren Wasserstoff, der durch Methanspaltung erzeugt wird, und liefert daher nur ~4 % des geliefertenH2. Photonische Methoden nutzen Licht, um die chemische Umwandlung von Wasser in Wasserstoff voranzutreiben, stecken aber noch in den Kinderschuhen und stehen vor erheblichen Herausforderungen hinsichtlich Effizienz, Skalierbarkeit und Kosteneffizienz.
Über den Perowskit-Katalysator
Perowskite sind gitterartige Materialien, die Sauerstoffmoleküle in ihrer Struktur absorbieren und sauerstoffhaltige Moleküle in ihre Bestandteile aufspalten können.
Zwar gibt es Perowskite in vielen Formen, doch die Forscher konzentrierten sich auf solche aus Barium, Niob, Kalzium und Eisen (BNCF-Perowskite), die leicht verfügbar sind und keine komplexe Synthese erfordern oder giftige Bestandteile enthalten.
Ihre Forschungen haben gezeigt, dass BNCF-Perowskite bei wesentlich niedrigeren Temperaturen als bisher angenommen Sauerstoff in ihre Strukturen aufnehmen. Ein Perowskit mit der Bezeichnung BNCF100 erwies sich als optimale Formulierung, und die Studie bestätigte, dass der Katalysator bei niedrigeren Temperaturen als die derzeitigen Wasserspaltungskatalysatoren regeneriert werden kann und seine Fähigkeit zur Erzeugung von Wasserstoff über zehn Produktionszyklen hinweg beibehält. Die Röntgenbeugung zeigte, dass der Katalysator im gesamten Verlauf kaum strukturelle Veränderungen aufwies.
Professor Ding sagte: "Unsere Forschung hat einen Katalysator hervorgebracht, der bei relativ niedrigen Temperaturen beträchtliche Mengen an Wasserstoff produzieren kann, und eine vorläufige techno-ökonomische Studie zeigt, dass er im Vergleich zu den etablierten blauen und grünen Wegen der Wasserstoffproduktion kostengünstig ist."
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