Eine neue Möglichkeit, Wasserstoff aus Meerwasser zu erzeugen

Die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff stellt eine Alternative zu fossilen Brennstoffen dar, gereinigtes Wasser ist jedoch eine kostbare Ressource. Ein von Stanford geleitetes Team hat nun eine Möglichkeit entwickelt, Meerwasser – die am häufigsten vorkommende Quelle der Erde – für chemische Energie zu nutzen.

Stanford-Forscher haben eine Möglichkeit entwickelt, Wasserstoff mithilfe von Solarenergie, Elektroden und Salzwasser aus der Bucht von San Francisco zu erzeugen.

Hongjie Dai und sein Forschungslabor an der Stanford University haben einen Prototyp entwickelt, der aus Meerwasser Wasserstoff als Treibstoff erzeugen kann. (Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung von H. Dai, Yun Kuang, Michael Kenney)

Die Ergebnisse, die am 18. März in Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurden, zeigen eine neue Möglichkeit, Wasserstoff- und Sauerstoffgas mithilfe von Elektrizität aus Meerwasser zu trennen. Bestehende Wasserspaltungsmethoden basieren auf hochreinem Wasser, das eine wertvolle Ressource und kostspielig in der Herstellung ist.

Um Städte und Autos mit Strom zu versorgen, „braucht man theoretisch so viel Wasserstoff, dass die Verwendung von gereinigtem Wasser nicht vorstellbar ist“, sagte Hongjie Dai, JG Jackson und CJ Wood, Professor für Chemie an der Stanford School of Humanities and Sciences und Co-Senior-Autor des Buches Papier. „Wir haben in Kalifornien kaum genug Wasser für unseren aktuellen Bedarf.“

Wasserstoff sei eine attraktive Kraftstoffoption, da er kein Kohlendioxid ausstoße, sagte Dai. Durch die Verbrennung von Wasserstoff entsteht nur Wasser und dürfte die sich verschlimmernden Probleme des Klimawandels lindern.

Dai sagte, sein Labor habe mit einer Demo den Machbarkeitsnachweis erbracht, aber die Forscher würden es den Herstellern überlassen, das Design zu skalieren und in Massenproduktion herzustellen.

Als Konzept ist die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit Elektrizität – Elektrolyse genannt – eine einfache und alte Idee: Eine Stromquelle verbindet sich mit zwei im Wasser platzierten Elektroden. Wenn der Strom eingeschaltet wird, sprudelt Wasserstoffgas aus dem negativen Ende – der sogenannten Kathode – und atembarer Sauerstoff tritt am positiven Ende – der Anode – aus.

Negativ geladenes Chlorid im Meerwassersalz kann jedoch das positive Ende korrodieren und so die Lebensdauer des Systems verkürzen. Dai und sein Team wollten einen Weg finden, zu verhindern, dass diese Meerwasserbestandteile die untergetauchten Anoden zerstören.

Die Forscher fanden heraus, dass, wenn sie die Anode mit Schichten beschichteten, die reich an negativen Ladungen waren, diese Schichten Chlorid abwiesen und den Zerfall des darunter liegenden Metalls verlangsamten.

Sie schichteten Nickel-Eisenhydroxid auf Nickelsulfid, das einen Nickelschaumkern bedeckte. Der Nickelschaum fungiert als Leiter – er transportiert Strom von der Stromquelle – und das Nickel-Eisen-Hydroxid löst die Elektrolyse aus und trennt Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. Während der Elektrolyse entwickelt sich das Nickelsulfid zu einer negativ geladenen Schicht, die die Anode schützt. So wie die negativen Enden zweier Magnete gegeneinander drücken, stößt die negativ geladene Schicht Chlorid ab und verhindert, dass es das Kernmetall erreicht.

Ohne die negativ geladene Beschichtung funktioniert die Anode im Meerwasser nur etwa 12 Stunden lang, so Michael Kenney, ein Doktorand im Dai-Labor und Co-Hauptautor der Arbeit. „Die ganze Elektrode zerfällt und zerfällt“, sagte Kenney. „Aber mit dieser Schicht ist es möglich, mehr als tausend Stunden durchzuhalten.“

Frühere Studien, bei denen versucht wurde, Meerwasser für Wasserstoff als Brennstoff zu spalten, erforderten geringe Mengen an elektrischem Strom, da bei höheren Strömen Korrosion auftritt. Aber Dai, Kenney und ihre Kollegen konnten durch ihr mehrschichtiges Gerät bis zu zehnmal mehr Strom leiten, was dabei hilft, schneller Wasserstoff aus Meerwasser zu erzeugen.

„Ich denke, wir haben mit der Strömung einen Rekord aufgestellt, um Meerwasser zu spalten“, sagte Dai.

Die Teammitglieder führten die meisten ihrer Tests unter kontrollierten Laborbedingungen durch, bei denen sie die in das System eintretende Strommenge regulieren konnten. Sie entwarfen aber auch eine solarbetriebene Demonstrationsmaschine, die aus Meerwasser aus der Bucht von San Francisco Wasserstoff und Sauerstoffgas erzeugte.

Und ohne das Risiko einer Korrosion durch Salze, entspricht das Gerät den aktuellen Technologien, die gereinigtes Wasser verwenden. „Das Beeindruckende an dieser Studie war, dass wir mit elektrischen Strömen arbeiten konnten, die denen entsprechen, die heute in der Industrie verwendet werden“, sagte Kenney.

Rückblickend können Dai und Kenney die Einfachheit ihres Designs erkennen. „Wenn wir vor drei Jahren eine Kristallkugel gehabt hätten, wäre es in einem Monat fertig gewesen“, sagte Dai. Doch nachdem nun das Grundrezept für die Elektrolyse mit Meerwasser herausgefunden ist, wird die neue Methode Türen für die Erhöhung der Verfügbarkeit von Wasserstoff-Brennstoff öffnen, der mit Solar- oder Windenergie betrieben wird.

Zukünftig könnte die Technologie auch für Zwecke eingesetzt werden, die über die Energieerzeugung hinausgehen. Da bei diesem Prozess auch atembarer Sauerstoff entsteht, könnten Taucher oder U-Boote Geräte ins Meer bringen und dort unten Sauerstoff erzeugen, ohne an die Oberfläche gehen zu müssen, um Luft zu holen.

Was den Technologietransfer angeht, „könnte man diese Elemente einfach in bestehenden Elektrolyseursystemen verwenden, und das könnte ziemlich schnell gehen“, sagte Dai. „Es ist nicht so, als würde man bei Null anfangen – es ist eher so, als würde man bei 80 oder 90 Prozent anfangen.“

Weitere Co-Hauptautoren sind der Gastwissenschaftler Yun Kuang von der Beijing University of Chemical Technology und Yongtao Meng von der Shandong University of Science and Technology. Weitere Autoren sind Wei-Hsuan Hung, Yijin Liu, Jianan Erick Huang, Rohit Prasanna und Michael McGehee.

Diese Arbeit wurde vom US-Energieministerium, der National Science Foundation, der National Science Foundation of China und dem National Key Research and Development Project of China finanziert.

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Amy Adams, Stanford News Service: (650) 497-5908, [email protected]

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