Technologie

Mit Licht und Wasser zum Wasserstoff – Water splitting

geschrieben von Ole
Wasserstoff-Brennstoffzellen als alternative Antriebslösung für Autos oder als genereller Energielieferant ist immer wieder ein Thema in den Medien, der Politik und der Forschung. So geht es häufig um das Problem der Speicherung des Wasserstoffs, aber es gibt da noch eine Kleinigkeit vorher zu klären.
Wo können wir eigentlich günstig an Wasserstoff kommen?

Zur Zeit bekommen wir den aus den fossilen Energieträgern über die Dampfreformierung. Dabei wird Methan mit Wasser und einem Nickelkatalysator versetzt und dann ordentlich aufgeheizt, sodass am Ende molekularer Wasserstoff und Kohlenmonoxid entstehen (= Dieses Gemisch wird allgemein als Synthesegas bezeichnet).
Besonders in Deutschland bietet sich aber auch noch eine andere Möglichkeit, denn durch unsere alternativen Energien, die auch in der Nacht meist im Überfluss zur Verfügung stehen (Stichwort: Windkraft) können energieaufwendige Elektrolysen betrieben werden, die wiederum Wasserstoff produzieren.
Natürlich wird das nicht Lösung aller Probleme sein, da die Effizienz nicht sehr hoch ist und sich der ganze Prozess nur dann lohnt, wenn man mit dem Strom gar nichts anderes anfangen kann. Früher oder später müssen also andere günstige Wege zur sauberen Wasserstoffherstellung gefunden werden.
Eine Möglichkeit um günstig an Wasserstoff zu kommen ist das sogenannte photokatalytische Watersplitting. Im Grunde wird dabei auch einfach Wasser elektrolytisch zerlegt, jedoch unter der Verwendung von Katalysatoren (die nur mit Licht funktionieren, deshalb photokatalytisch). Damit ist es möglich die Reaktion beispielsweise schon mit einer handelsüblichen 1.5 V Batterie laufen zu lassen. Bis vor kurzem mussten jedoch meist zwei Katalysatoren (einer für die Reaktion zur Bildung des Wasserstoffs, einer für die parallel Reaktion zur Bildung von Sauerstoff) eingesetzt werden. Zudem bestanden diese beiden Katalysatoren meist aus Platin und Iridium. Edelmetalle, die sowohl teuer als auch begrenzt sind.
Präsentation1

Schematische Darstellung eines Photokatalysators. Natürlich muss noch irgendwo der Strom angeschlossen werden. Bei der Bildung des Sauerstoffs werden Elektronen frei, anstatt diese in den Katalysator laufen zu lassen, wandern in dem Schema die Elektronenlöcher (Defektelektronen).

Nun hat aber eine Forschergruppe aus Stanford einen neuen Photokatalysator für das Watersplitting gefunden. Der Vorteil des neuen Katalysators: es ist nur einer für beide Reaktion notwendig und er besteht aus Eisen-Nickel-Oxid. Beides Metalle, die nicht allzu teuer und begrenzt sind.
Die Reaktion kann auch mit 1.5 V betrieben werden und für über 200 Stunden am Stück durchgeführt werden ohne nennenswerte Effizienz Einbußen in Kauf nehmen zu müssen.
Bisherige Systeme benötigten schon nach 30 Stunden Betrieb bis zu 40% mehr Energie.
Man mag sich nun fragen warum noch niemand früher auf die Idee gekommen ist, Eisen-Nickel-Oxide als Katalysatoren für diese Reaktion zu nutzen.
Die Forschergruppe hat dieses Eisen-Nickel-Oxid ein wenig modifiziert um solch gut Ergebnisse zu erzielen. Zurückgegriffen haben sie dabei auf ein Verfahren, dass hauptsächlich in der Batterieforschung eingesetzt wurde, dem “lithium-induced electrochemical tuning”.
Dabei wird das Material mit Lithium-Ionen “beschossen”, wodurch die größeren Metalloxid-Partikel chemisch zerkleinert werden. Somit steht eine deutlich größere Oberfläche (wie auch beim Zerschneiden eines Apfels) zur Verfügung. Dies ist deshalb wichtig weil die Katalyse nur an der Oberfläche der Partikel stattfinden kann, denn nur hier besteht der Kontakt mit dem Substrat (hier: Wasser).
Vielleicht können wir also bald schon unseren eigenen Wasserstoffgenerator mit uns herumtragen.
Ein Video zu der in Nature Communication erschienenem Paper gibt es auch zu sehen.
Für eine technische Anwendung, sollte man natürlich aufpassen, dass man die beiden Gase nicht in Kontakt kommen lässt. Ansonsten kann ein explosionsfähiges Gemisch (Knallgas) entstehen und der ganze Prozess wird unkontrolliert wieder umgekehrt.
Literatur:
Haotian Wang, Hyun-Wook Lee, Yong Deng, Zhiyi Lu, Po-Chun Hsu, Yayuan Liu, Dingchang Lin, Yi Cui. Bifunctional non-noble metal oxide nanoparticle electrocatalysts through lithium-induced conversion for overall water splitting. Nature Communications, 2015; 6: 7261 DOI: 10.1038/ncomms8261

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Ole

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