Neuartiger Lichtreaktor: Wasserstoff-Rückgewinnung aus Ammoniak mit LEDs statt Hitze

Wasserstoff wird als Energieträger der Zukunft betrachtet. Unter Verwendung von Sonnen- und Windstrom für seine Herstellung mittels Elektrolyse ist das Gas weitestgehend grün . Um Wasserstoff effizient und sicher speichern und tranmsportieren zu können, muss dieser entweder stark heruntergekühlt und dann verflüssigt oder aber in chemisch gebundene Form gebracht werden. Letztere Methode lässt sich gut mit flüssigem Ammoniak realisieren, allerdings muss dieses auf 400 bis 600 Grad erhitzt werden, um den Wasserstoff wieder abzuspalten. Entsprechend energiehungrig ist der Vorgang. Forscher:innen fanden nun eine Methode, um die Abspaltung mit Hilfe von LED-Licht, Eisen und Kupfer zu realisieren. Dadurch wird keine starke Hitze benötigt, sodass die Methode die Verwendung von Ammoniak als Transport- und Speichermedium von grünem Wasserstoff deutlich erleichtern dürfte.

Ammoniak-Spaltung durch Licht

Es ist bereits möglich, die für die Wasserstoff-Rückgewinnung aus Ammoniak benötigten Temperaturen abzusenken. Allerdings werden dafür Katalysatoren benötigt, die aus Platin, Ruthenium oder Palladium bestehen und entsprechend teuer sind. Forscher:innen rund um Yigao Yuan von der Rice University hat nun eine günstigere Alternative entwickelt, bei der auf starke Hitze verzichtet werden kann. Dabei werden Ammoniak und Wasserstoff nicht durch die klassische thermische Reaktion getrennt, sondern mit Hilfe sogenannter plasmonischer Photokatalysatoren. Dieser bestehen zumeist aus metallischen Nanopartikeln und wirken wie winzige Antennen, mit denen die Energie einfallenden Lichts gebündelt werden kann. Elektronen können das Material so kurzfristig stark anregen. Ein zweites Metall wird als vorübergehender Reaktionspartner für Stickstoff verwendet und macht so die Abspaltung des Wasserstoffs möglich.

Um die Methode zu testen, erzeugten die Forscher:innen einen Photokatalysator mit Kupfer als Lichtantenne und Eisen als chemischem Spaltungshelfer. Dieser kam dann gemeinsam mit Ammoniak in einen Testreaktor, in den dann Licht in Form von Laserpulsen eingebracht wurde. So kam dann eine Ammoniakspaltung in Gang. „Unter Lichtzufuhr zeigte der Kupfer-Eisen-Katalysator eine Reaktivität und Effizienz, die mit der des gängigen Katalysators Kupfer-Ruthenium vergleichbar ist„, so Hossein Robatjazi, der an der Studie beteiligt war.

LED statt Laser

Allerdings war den Wissenschaftler:innen bewusst, dass diese Methode noch nicht ideal ist. Denn die Verwendung von Lasertechnologie ist nicht nur relativ aufwendig, sondern ebenfalls relativ energiehungrig. Außerdem musste der Vorgang auch in größerem Maßstab getestet werden. Dies geschah, indem die Forscher:innen einen um den Faktor 500 vergrößerten Reaktor, für den ein dichtes Array von LEDs mit einer Wellenlänge von 470 Nanometern als Lichtquelle benutzt wurde. Durch zwei Reaktionsröhren wurde das Ammoniak kontinuierlich am Katalysator vorbei in den Reaktor geleitet. Insgesamt lag der Verbrauch der Beleuchtung bei 140 Watt.

„Der Kupfer-Eisen-Katalysator zeigt auch unter LED-Beleuchtung eine sehr hohe photokatalytische Reaktivität, mit einer 72-prozentigen Ammoniak-Umwandlung und einer Ausbeute von 14 Gramm Wasserstoff pro Tag„, fasste das Team das Ergebnisse des Versuchs zusammen. Bei erhöhtem Durchlauf, so die Forscher:innen, sei auch eine Ausbeute von 18 Gramm Wasserstoff pro Tag möglich. Und das bei Raumtemperatur ohne dass der Reaktion zusätzlich Hitze hinzugefügt werden musste.

„Dies ist der erste Bericht in der Fachliteratur, der zeigt, dass sich Wasserstoffgas in Grammmengen auch durch eine Photokatalyse mit LEDs aus Ammoniak gewinnen lässt„, so Seniorautorin Naomi Halas. Zwar benötigt das Verfahren derzeit mehr Strom als gängige Ammoniak-Cracker, allerdings geht das Team davon aus, mit weiterer Optimierung auf einen Energieaufwand von wenigen Kilowattstunden pro Gramm Wasserstoff senken zu können.

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Viele kleine Reaktoren statt große Anlagen

Die Forscher:innen gehen davon aus, so neue Möglichkeiten eröffnen zu können, die Spaltung von Ammoniak sowohl günstiger als auch dezentraler zu gestalten. Statt in großen Anlagen könnte der benötigte Wasserstoff auch in kleineren, lokal verwendeten Reaktoren aus Ammoniak wiederverwendet werden. „Unsere Entdeckung ebnet den Weg zu nachhaltigem, kostengünstigem Wasserstoff, der lokal statt in zentralisierten Anlagen produziert wird„, so Peter Nordlander, der ebenfalls an der Studie beteiligt war. „Wasserstoff kann nur dann zum sauberen Brennstoff werden, wenn er günstig, einfach zu speichern und wiederzugewinnen ist. Mit unserem Ansatz nähern wir uns diesem Ziel, indem wir Wasserstoff nach Bedarf und mithilfe von reichlich verfügbaren Materialien und Leuchtdioden aus einem Speichermedium wiedergewinnen können„, fügt Halas hinzu.

via Rice University