Stark erhöhte Wasserstoff-Ausbeute: Schallwellen machen der Elektrolyse Beine

Grüner Wasserstoff ist ein wichtiger Baustein der Energiewende und gilt als klimafreundlicher Energieträger. Gewonnen wird er mit Hilfe von Elektrolyse-Anlagen, in denen Wassermoleküle in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt werden. Als „grün“ wird Wasserstoff dann bezeichnet, wenn der für die Elektrolyse notwendige Strom aus erneuerbaren Energien kommt. Die Elektroden der Elektrolyseure bestehen dabei zumeist aus teuren Platinmetallen, um die Effizienz des Vorgangs zu erhöhen. Zudem kommt eine stark saure oder alkalische Elektrolytlösung zum Einsatz, was zu einer schnelleren Korrosion der Anlagen führt. Forscher:innen fanden nun heraus, dass sie die Wasserstoffausbeute der Elektrolyse auch einfacher erhöhen können: Hochfrequente Schallwellen steigern die Ausbeute um den Faktor 14, wie die Wissenschaftler:innen in Experimenten belegen können.

Elektrolyse ohne teure Materialien

Das Verfahren wurde von einem Team rund um Yemima Ehrnst von der RMIT University in Melbourne demonstriert. Für ihre Studie suchten die Forscher:innen nach Möglichkeiten, Wasserspaltung durch Elektrolyse mit neutralen Elektrolyten und weniger teuren Materialien für die Elektroden effizienter zu gestalten. Solche Systeme haben in der Regel deutlich weniger Ausbeute als solche mit sauren oder alkalischen Lösungen sowie Elektroden aus teuren Materialien. Das liegt unter anderem daran, dass sich das bei der Reaktion entstehende Gas an den Elektroden sammelt und damit ihren weiteren Ablauf behindert.

Die Forscher:innen wollten herausfinden, was passiert, wenn ein Elektrolysesystem mit neutraler Lösung und günstigerer Elektrode unter Einsatz hochfrequenter Schallwellen in Vibrationen versetzt wird. Für den Test konstruierte das Team eine elektrochemische Reaktionszelle, die auf dem piezoelektrischen Material Lithiumniobat (LiNbO3) basierte, welches sich in elektromechanische Schwingungen im Megahertzbereich versetzen lässt und so hochfrequente Schallwellen im flüssigen Medium der Zelle erzeugt. Als neutrales Elektrolyt fungierte Natriumphposphat.

Vibrationen verbessern die Ausbeute

Im Experiment zeigte sich, dass die schnellen akustischen Vibrationen die Wasserstoffausbeute des Systems um das bis zu 14-Fache erhöhten. Durch die Vibrationen werden entstehende Gasbläschen beseitigt, sodass sie sich nicht an den Elektroden ansammeln können. „Dies ist ein wichtiger Vorteil für die Leitfähigkeit und Stabilität der Elektroden„, erklärt Leslie Yeo, der an der Studie beteiligt war.

Allerdings war dieser Effekt nicht ausreichend stark, um die höhere Wasserstoffausbeute vollständig zu erklären. Die Forscher:innen fanden dann heraus, dass die Schallwellen auch die Struktur und Bindung der Wassermoleküle veränderten. Die Vibrationen durchtrennen oder lockern die Wasserstoffbrücken zwischen den H2O-Molekülen, sodass „freie“ Wassermoleküle entstehen, die leichter ionisiert und dann gespalten werden können. „ Die Schallwellen machen es sehr viel leichter, Wasserstoff aus dem Wasser zu extrahieren. Dadurch entfällt die Notwendigkeit korrosiver Elektrolyte und teurer Elektroden aus Platin oder Iridium„, so Amgad Rezk, der ebenfalls an dem Experiment beteiligt war.

Ist eine noch höhere Wasserstoffausbeute möglich?

Die Forscher:innen gehen davon aus, dass dieses Verfahren neue Möglichkeiten eröffnet, die Wasserstoffgewinnung durch Elektrolyse günstiger und effizienter zu gestalten. Durch den Verzicht auf korrosive Elektrolyte sowie Platinelektroden könnte bei der Elektrolyse viel Geld gespart werden. „Unser Ansatz ist ein praktisch anwendbarer und kostengünstiger Weg, um grünen Wasserstoff auch mit billigen, breit verfügbaren und als wenig effektiv geltenden Elektroden zu erzeugen„, so das Team.

Aktuell arbeiten die Wissenschaftler:innen daran, das Vibrationsmodul zu optimieren sowie es in gängige Elektrolysesysteme zu integrieren. Mit höherer Stromdichte, so die Forscher:innen, sollte sich die Wasserstoffausbeute noch weiter verbessern lassen. Das Team meldete das Verfahren auch bereits zum Patent an.

via RMIT University