Wasserspaltungssystem zieht grünen Treibstoff aus Meerwasser

Wasserspaltungssystem zieht grünen Treibstoff aus MeerwasserEin Prototyp, der Wasserstoff aus Meerwasser erzeugen kann. (Quelle: H. Dai, Yun Kuang, Michael Kenney) Forscher haben einen Weg gefunden, um aus der Bucht von San Francisco mit Sonnenenergie, Elektroden und Salzwasser Wasserstoff als Brennstoff zu erzeugen.

Die Ergebnisse zeigen eine neue Art der Trennung von Wasserstoff und Sauerstoffgas aus Meerwasser mittels Elektrizität. Bestehende Wasserspaltungsmethoden beruhen auf hochreinem Wasser, das eine kostbare Ressource ist und teuer in der Herstellung ist.

Um Städte und Autos mit Strom zu versorgen, „braucht man theoretisch so viel Wasserstoff, dass es nicht vorstellbar ist, gereinigtes Wasser zu verwenden“, sagt Hongjie Dai, Professor für Chemie an der School of Humanities und Sciences der Stanford University und Mitautor der Zeitung. "Wir haben kaum genug Wasser für unsere aktuellen Bedürfnisse in Kalifornien."

Wasserstoff ist eine attraktive Option für Kraftstoff, weil er kein Kohlendioxid emittiert, sagt Dai. Die Verbrennung von Wasserstoff produziert nur Wasser und sollte die Probleme des Klimawandels lindern.

Dai sagt, sein Labor habe einen Proof-of-Concept mit einer Demo gezeigt, aber die Forscher würden es den Herstellern überlassen, das Design zu skalieren und in großen Mengen herzustellen.

Schnelleres Spalten ohne Korrosion

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

Negativ geladenes Chlorid in Meerwassersalz kann jedoch das positive Ende angreifen und die Lebensdauer des Systems einschränken. Dai und sein Team wollten einen Weg finden, um zu verhindern, dass diese Seewasserkomponenten die untergetauchten Anoden zerstören.

Die Forscher stellten fest, dass die Schichten Chlorid abstoßen und den Zerfall des darunter liegenden Metalls verlangsamen, wenn sie die Anode mit negativ geladenen Schichten beschichten.

Sie schichteten Nickel-Eisenhydroxid auf Nickelsulfid, das einen Nickelschaumkern bedeckt. Der Nickelschaum dient als Leiter, der Elektrizität aus der Stromquelle transportiert, 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 diese das Kernmetall erreicht.

Ohne die negativ aufgeladene Beschichtung funktioniert die Anode nur etwa 12-Stunden in Meerwasser, sagt Michael Kenney, ein Doktorand im Dai-Labor und Mitautor der Zeitung.

"Die gesamte Elektrode zerfällt in ein Stückchen", sagt Kenney. "Aber mit dieser Schicht kann es mehr als tausend Stunden gehen."

Frühere Studien, bei denen versucht wurde, Meerwasser für Wasserstoffbrennstoff aufzuteilen, hatten geringe Mengen an elektrischem Strom, da bei höheren Strömen Korrosion auftritt. Dai, Kenney und ihre Kollegen haben jedoch bis zu 10-mal mehr Strom durch ihr Mehrschichtgerät geleitet, wodurch es schneller aus Meerwasser Wasserstoff gewinnen kann.

"Ich denke, wir haben einen Rekord in der Strömung aufgestellt, um Meerwasser aufzuteilen", sagt Dai.

Die Teammitglieder führten die meisten ihrer Tests unter kontrollierten Laborbedingungen durch, wo sie die Menge der in das System eingespeisten Elektrizität regulieren konnten. Sie entwarfen auch eine solarbetriebene Demonstrationsmaschine, die aus Meerwasser Wasserstoff und Sauerstoff aus der San Francisco Bay produzierte.

Und ohne Korrosionsgefahr durch Salze passte das Gerät zu den aktuellen Technologien, die gereinigtes Wasser verwenden. „Das Beeindruckende an dieser Studie war, dass wir mit elektrischen Strömen arbeiten konnten, die den heute in der Industrie verwendeten Strömen entsprechen“, sagt Kenney.

Einfache Lösung

Rückblickend können Dai und Kenney die Einfachheit ihres Designs erkennen. "Wenn wir vor drei Jahren eine Kristallkugel hätten, wäre dies in einem Monat geschehen", sagt Dai. Jetzt, da sie das Grundrezept für die Elektrolyse mit Meerwasser herausgefunden haben, wird die neue Methode die Türen öffnen, um die Verfügbarkeit von Wasserstoffbrennstoff zu erhöhen, der mit Sonnen- oder Windenergie betrieben wird.

In Zukunft könnte die Technologie mehr als Energie erzeugen. Da bei diesem Verfahren auch atmungsaktiver Sauerstoff erzeugt wird, könnten Taucher oder U-Boote Geräte in den Ozean bringen und Sauerstoff erzeugen, ohne dabei Luft auftauchen zu müssen.

In Bezug auf den Transfer der Technologie "könnte man diese Elemente einfach in bestehende Elektrolyseursysteme einsetzen, und das könnte ziemlich schnell sein", sagt Dai. "Es ist nicht wie bei Null zu beginnen - es ist eher wie bei 80 oder 90 Prozent."

Forschung erscheint in Proceedings of the National Academy of Sciences. Weitere Forscher der Peking University of Chemical Technology und der Shandong University of Science and Technology trugen zu dieser Arbeit bei.

Das US-Energieministerium, die National Science Foundation, die National Science Foundation of China und das National Key Research & Development Project of China unterstützten die Forschung.

Quelle: Erin I. Garcia De Jesus für Stanford University

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