Stromsparende und klimafreundliche Wasserstoff-Erzeugung dank neuartiger Elektrode mit günstigeren Materialie
Forscher am Precourt Institute for Energy der US-Universität Stanford haben einen Elektrolyseur entwickelt, der Wasser bei Raumtemperatur und nur mit einer AAA-Batterie (1,5 Volt) aufspaltet. Das Gerät kommt zudem dank einer neuartigen, nanostrukturierten Nickel-Elektrode ohne teure Edelmetall-Elektroden aus. Das Verfahren könnte künftig Treibstoff für Brennstoffzellen liefern, ohne dass wie bisher wertvolle Edelmetalle und Methangas eingesetzt werden müssen, so die Forscher im Fachmagazin „Nature Communications„.
Ohne Platin oder Iridium, ohne Erdgas
In den USA sollen Brennstoffzellen-Autos ab 2015 mehr Verbreitung finden. Toyota und Honda beispielsweise wollen ab 2015 mit entsprechenden Fahrzeugen den US-Markt erobern. Doch wird der nötige Wasserstoff oft aus Erdgas gewonnen, was ökologisch nicht ideal ist. Eine Alternative bietet die Wasserelektrolyse, die bislang aber viel Strom oder Edelmetalle als Katalysator erfordert hat. Stammt dieser aus nicht aus erneuerbaren Energien, schadet das Ganze dem Klima mehr als dass es nützt. Das ist bei der Neuentwicklung nicht der Fall.
„Mit Nickel und Eisen, die billige Materialien sind, konnten wir ausreichend aktive Elektrokatalysatoren machen, um Wasser bei Raumtemperatur mit einer 1,5-Volt-Batterie aufzuspalten“, so Hongjie Dai, Chemieprofessor in Stanford. Bei so geringer Spannung funktioniere die Elektrolyse normalerweise nur mit Materialien wie Platin oder Iridium.
Wenn es um Autoantriebe geht, wären Brennstoffzellen eine klimafreundliche Alternative zu fossilen Brennstoffen – eigentlich. Denn sie erzeugen Energie, indem sie Wasserstoff und Sauerstoff wieder zu Wasser kombinieren, Treibhausgas wird dabei nicht frei. Doch das hat bisher einen Haken: Wasserstoff, der eigentliche Energieträger der Brennstoffzelle, kommt in der Natur nicht frei vor, er muss erst unter Energieaufwand erzeugt werden.
1,5 Volt-Batterie erzeugt Wasserstoff – und spart Milliarden
Daher waren die Wissenschaftler bestrebt, eine günstige, effiziente Wasser-Elektrolyse zu ermöglichen. Hier ist dem dem Doktoranden Ming Gong vom Stanford-Team ein unerwarteter Durchbruch gelungen. Er hat festgestellt, dass eine kombinierte Nickelmetall-Nickeloxid-Struktur viel aktiver ist als das Metall allein oder pures Nickeloxid. Das macht eine Wasserspaltung mit viel geringerer Spannung möglich. Der Forscher glaubt, dass es damit möglich sein wird, bei den Stromkosten kommerzieller Wasserstoffgewinnung Milliardenbeträge einzusparen.
Allerdings muss die Neuentwicklung noch haltbarer gemacht werden, damit ein Elektrolyseur wochen- oder monatelang durchlaufen kann. Dieses Ziel ist laut Ming aber realistisch. Der Ansatz ist dem Team zufolge zudem auf die Gewinnung der industriell wichtigen Chemikalien Chlorgas und Ätznatron übertragbar.
Doch genau dafür könnten Hongjie und seine Kollegen von der Stanford University nun eine Lösung gefunden haben. Sie experimentierten mit verschiedenen nanostrukturierten Nickelverbindungen, als sie auf eine Kombination stießen, die sich auch als Elektrode bei der Wasserspaltung eignete. „Als wir herausfanden, dass ein nickelbasierter Katalyst genauso effektiv ist wie Platin, war das eine absolute Überraschung“, sagt Hongjie.
Schon eine 1,5-Volt-Batterie reichte im Experiment aus, um mit diesem und einer Eisenelektrode die Wasserspaltung in Gang zu bringen und Wasserstoff zu erzeugen. Und das Ganze funktionierte auch noch bei Raumtemperatur, wie die Wissenschaftler erklären.
„Das ist das erste Mal, dass jemand Nicht-Edelmetalle als Katalysatoren für die Wasserspaltung bei so niedriger Spannung eingesetzt hat“, sagt Hongjie. „Das zeigt, dass die Nanostrukturierung von Materialien große Vorteile bei der Herstellung von Treibstoffen und im Energieverbrauch bringen kann.“ (Stanford University, 25.08.2014 – NPO)
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