Ein neues nachhaltiges und praktisches Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser wurde von einem Forschungsteam des RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) in Japan unter der Leitung von Ryuhei Nakamura entdeckt. Im Gegensatz zu den derzeitigen Methoden erfordert die neue Methode keine seltenen Metalle, die teuer oder knapp sind. Stattdessen kann Wasserstoff f\u00fcr Brennstoffzellen und landwirtschaftliche D\u00fcngemittel nun mit Kobalt und Mangan, zwei relativ weit verbreiteten Metallen, hergestellt werden. Die Studie wurde in Nature Catalysis ver\u00f6ffentlicht.<\/p>\n\n\n\n
Im Gegensatz zu herk\u00f6mmlichen fossilen Brennstoffen, bei deren Verbrennung Kohlendioxid entsteht, ist Wasserstoff ein sauberer Brennstoff, bei dem nur Wasser als Nebenprodukt anf\u00e4llt. Wenn Wasserstoff mit Hilfe von erneuerbarem Strom aus Wasser gewonnen werden kann, kann das Energienetz sauber, erneuerbar und nachhaltig gestaltet werden. Dar\u00fcber hinaus ist Wasserstoff der Hauptbestandteil, der zur Herstellung von Ammoniak ben\u00f6tigt wird, das in praktisch allen synthetischen D\u00fcngemitteln verwendet wird. Doch anstatt den Wasserstoff sauber aus Wasser zu gewinnen, verwenden Ammoniakwerke derzeit fossile Brennstoffe, um den ben\u00f6tigten Wasserstoff zu erzeugen.<\/p>\n\n\n\n
Warum also verwenden wir immer noch fossile Brennstoffe? Ein Grund ist, dass das Verfahren zur Wasserstoffgewinnung selbst – die Elektrolyse – teuer und noch nicht nachhaltig ist.<\/p>\n\n\n\n
\u201eDas liegt vor allem daran, dass es an guten Katalysatoren mangelt\u201c, sagt Nakamura. \u201eDer Katalysator muss nicht nur in der Lage sein, der rauen sauren Umgebung standzuhalten, sondern auch sehr aktiv sein. Ist dies nicht der Fall, steigt die Menge an Strom, die f\u00fcr die Reaktion ben\u00f6tigt wird, um eine bestimmte Menge an Wasserstoff zu erzeugen, und damit auch die Kosten.\u201c<\/p>\n\n\n\n
Derzeit sind die aktivsten Katalysatoren f\u00fcr die Wasserelektrolyse seltene Metalle wie Platin und Iridium, was ein Dilemma darstellt, da sie teuer sind und als \u201egef\u00e4hrdete Spezies\u201c unter den Metallen gelten. Wollte man den gesamten Energiebedarf des Planeten auf Wasserstoff als Kraftstoff umstellen, w\u00fcrde dies, der heutigen Jahresproduktion von Iridium entsprechend, in etwa eine Produktionsmenge von 800 Jahren erfordern, eine Menge, die vielleicht gar nicht vorhanden ist. Andererseits sind h\u00e4ufig vorkommende Metalle wie Eisen und Nickel nicht aktiv genug und neigen dazu, sich in der rauen, sauren Elektrolyseumgebung sofort aufzul\u00f6sen.<\/p>\n\n\n\n
Auf der Suche nach einem besseren Katalysator untersuchten die Forscher eine Mischung aus Kobalt- und Manganoxiden. Kobaltoxide k\u00f6nnen f\u00fcr die erforderliche Reaktion aktiv sein, korrodieren aber sehr schnell in der sauren Umgebung. Manganoxide sind stabiler, aber nicht ann\u00e4hernd aktiv genug. Durch die Kombination der beiden Oxide hofften die Forscher, die Vorteile ihrer komplement\u00e4ren Eigenschaften nutzen zu k\u00f6nnen. Sie mussten auch die hohe Stromdichte ber\u00fccksichtigen, die f\u00fcr eine praktische Anwendung au\u00dferhalb des Labors erforderlich ist. \u201eF\u00fcr die Wasserstoffproduktion im industriellen Ma\u00dfstab mussten wir die Zielstromdichte unserer Studie auf das 10- bis 100-fache der in fr\u00fcheren Experimenten verwendeten Werte festlegen\u201c, sagt Shuang Kong, Mitautor der Studie. \u201eDie hohen Str\u00f6me f\u00fchrten zu einer Reihe von Problemen wie der physikalischen Zersetzung des Katalysators\u201c.<\/p>\n\n\n\n
Schlie\u00dflich konnte das Team diese Probleme durch Versuch und Irrtum \u00fcberwinden und entdeckte einen aktiven und stabilen Katalysator, indem es Mangan in das Spinellgitter von Co3O4 einf\u00fcgte und so das gemischte Kobalt-Mangan-Oxid Co2MnO4 erzeugte.<\/p>\n\n\n\n
Die Tests zeigten, dass Co2MnO4 sehr gut funktioniert. Die Aktivierungsniveaus lagen nahe an denen von Iridiumoxiden, die dem Stand der Technik entsprechen. Au\u00dferdem hielt der neue Katalysator \u00fcber zwei Monate bei einer Stromdichte von 200 Milliampere pro Quadratzentimeter, was ihn f\u00fcr den praktischen Einsatz geeignet machen k\u00f6nnte. Im Vergleich zu anderen Katalysatoren aus Nicht-Seltenen Metallen, die in der Regel nur Tage oder Wochen bei viel niedrigeren Stromdichten halten, k\u00f6nnte der neue Elektrokatalysator einen Wendepunkt darstellen.<\/p>\n\n\n\n
\u201eWir haben etwas erreicht, was Wissenschaftlern jahrzehntelang verwehrt geblieben ist\u201c, sagt Co-Erstautor Ailong Li. \u201eDie Wasserstoffproduktion mit einem hochaktiven und stabilen Katalysator, der aus reichlich vorhandenen Metallen besteht. Langfristig glauben wir, dass dies ein gro\u00dfer Schritt auf dem Weg zu einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft ist. Wie bei anderen erneuerbaren Technologien wie Solarzellen und Windkraft erwarten wir, dass die Kosten der gr\u00fcnen Wasserstofftechnologie in naher Zukunft mit weiteren Fortschritten sinken werden.\u201c<\/p>\n\n\n\n
Der n\u00e4chste Schritt im Labor wird darin bestehen, Wege zu finden, um die Lebensdauer des neuen Katalysators zu verl\u00e4ngern und seine Aktivit\u00e4t noch weiter zu erh\u00f6hen. \u201eEs gibt immer Raum f\u00fcr Verbesserungen\u201c, sagt Nakamura, \u201eund wir streben weiterhin nach einem Katalysator ohne Seltene Metalle, der die Leistung der derzeitigen Iridium- und Platinkatalysatoren erreicht.\u201c<\/p>\n\n\n\n
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