Neues Verfahren gewinnt Wasserstoff direkt aus Meerwasser

Wäre es möglich, Wasserstoff auf hoher See zu gewinnen, hätte dies gleich mehrere Vorteile. Der klimafreundliche Strom für die Elektrolyse könnte durch Offshore-Windkraftanlagen gewonnen würden, die den Wasserstoff dann wieder als chemischen Speicher nutzen können um Stromüberschüsse zu speichern. Allerdings gibt es ein Problem: Gängige Elektrolysesysteme kommen nicht mit Meerwasser klar. Forscher:innen könnten dieses Problem nun jedoch gelöst haben.

Ozean — Symbolbild
Foto: The Atlantic Ocean, Milan Boers, Flickr, CC BY-SA 2.0

Neuer Katalysator kann mit Meerwasser umgehen

Das Problem mit Meerwasser ist das in ihm gelöste Salz. Dieses wird bei der Wasserspaltung frei und reagiert mit dem Material der Elektroden. Dies resultiert in schneller Korrosion und Ablagerungen, die das System blockieren und unbrauchbar machen. Aus diesem Grund muss das Meerwasser entsalzt werden, bevor es in das System geleitet wird. Eine andere Variante ist der Zusatz starker Säuren oder Basen, die die freiwerdenden Ionen binden. Hinzu kommt, das die Aktivität von Katalysatoren für die Sauerstoffproduktion an der Anode und die Wasserstoffgewinnung an der Kathode in neutralem Meerwasser nur sehr gering ist. „Deshalb wird eine sehr viel höhere Spannung benötigt. Das löst aber erst recht eine schädliche Korrosion und Oxidation durch Chlorid-Ionen aus„, schreibt ein Team rund um Jiaxin Guo von der Tianjin Universität in China.

Die Forscher:innen haben es sich zur Aufgabe gemacht, diese Probleme zu lösen und die direkte Elektrolyse von Meerwasser zu ermöglichen. Dafür haben sie einen neuartigen Katalysator entwickelt, der auch in Meerwasser effizient funktioniert und das Elektrolysesystem vor Korrosion und Ablagerungen schützt. Dieser Katalysator besteht aus dünnen Kohlenstofffäden, die von einer Hülle aus Kobaltoxid umgeben sind. Das Material ist ein guter Katalysator für die Wasserspaltung, verliert allerdings in Meerwasser nach kurzer Zeit seine Funktion. Die Wissenschaftler:innen haben die Katalysatorfäden deshalb mit einer zusätzlichen Schicht Chrom(III)-Oxid beschichtet. „Diese Verbindung ist im gesamten Arbeitsbereich der Meerwasser-Elektrolyse elektrochemisch stabil„, so das Team. Es handelt sich zudem um eine starke Lewissäure, was bedeutet, dass die Verbindung Elektronen und auch negativ geladene Ionen binden und diese von den Elektroden fern halten kann.

Ähnliche Leistung wie eine gängige Reinwasser-Anlage

Um die Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit ihres Systems zu testen, verglichen sie diese mit der einer gängigen Reinwasser-Anlage, in der Platin und Rutheniumdioxid als Katalysator verwendet wurden. Die Meerwasserspaltung fand in einem eigens konstruierten Durchfluss-Elektrolyseur statt. In diesem kam ein Titannetz als Elektroden, eine semipermeable Nafion-Membran als Trenner sowie der neue Katalysator zum Einsatz. Beide Elektrolyseure wurden im Test von jeweils 60 Milliliter Wasser pro Minute durchflossen. Beim Reinwasser-Elektrolyseur kam destilliertes Wasser zum Einsatz.

Im Ergebnis zeigte sich, dass der Meerwasser-Elektrolyseur ähnlich effizient und stabil wie das gängige Reinwasser-System arbeitete. Er erreichte eine Faraday-Effizienz von 93 Prozent für Wasserstoff und 92 Prozent für Sauerstoff. „Das deutet darauf hin, dass fast keine Chlorid- und Hydroxid-Beiprodukte gebildet wurden„, so die Forscher:innen. Auch nach mehr als 100 Stunden bei 500 Milliampere pro Zentimeter arbeitete das System noch stabil und ohne signifikanten Leistungsverlust.

„Damit haben wir normales Meerwasser mit fast 100-prozentiger Effizienz in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten – ohne dass eine Vorbehandlung des Meerwassers nötig war„, so Koautor Shizhang Qiao von der University of Adelaide. Der Meerwasser-Elektrolyseur erreichte bei 1,87 Volt und 60 Grad eine Leistungsdichte von einem Ampere pro Quadratzentimeter, was nach Aussage der Forscher:innen industriellen Standards entspricht. Hinzu komme, dass der Katalysator nicht aus teuren Platinmetallen besteht, sondern aus einem vergleichsweise günstigen Material.

Die Technologie eröffnet nach Ansicht des Teams neue Möglichkeiten, Wasserstoff direkt und relativ günstig aus Meerwasser zu erzeugen. Die Forscher:innen arbeiten bereits daran, das System in größerem Maßstab zu konstruieren, um seine Integration in kommerzielle Anwendungen zu ermöglichen.

via University of Adelaide