Mit Bergbauabfällen Wasserstoff produzieren

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(Wieder-)Entdeckung des Feldspats

Forscher der Queensland University of Technology haben herausgefunden, wie Bergbauabfälle als Teil eines potenziell billigeren Katalysators für die Wasserstoff-Herstellung verwendet werden könnten. Normalerweise werden Wasserspaltungsreaktionen zur Wasserstoffproduktion mit Platin ausgelöst, das etwa 42 €/g (Iridium 41 €/g oder Ruthenium 11 €/g) kostet. Es werden auch billigere, aber weniger aktive Metalle wie Kobalt, dessen Preis bei etwa 60.000 €/Tonne liegt, Nickel für 22.000 €/t und Eisen für 543 €/t verwendet.

Einkristall eines monoklinen Feldspats – Bild © Rob Lavinsky, iRocks.com – CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org

Das Team unter der Leitung von Professor Ziqi Sun von der QUT School of Chemistry and Physics und dem QUT Centre for Materials Science und Hong Peng von der School of Chemical Engineering an der University of Queensland veröffentlichte diese Ergebnisse in der Zeitschrift Advanced Energy & Sustainability Research. In ihrem Artikel über die Entwicklung eines neuen Katalysators , erklären die Autoren, dass nur eine geringe Menge dieser reaktiven Metalle benötigt werde. Sie schlagen jedoch einen neuen Katalysator vor, der mit Feldspat kombiniert wird.

Für die Entsorgung von Feldspat, ein Aluminosilikatgestein, das in Bergbauabfällen vorkommt, zahlen einige Unternehmen etwa 30 Dollar pro Tonne. Feldspate machen etwa 60 % der Erdkruste aus. Einige Unternehmen zahlen etwa 30 Dollar pro Tonne, um sie zu entsorgen. In ihrem Experiment lösten die Forscher eine Wasserspaltungsreaktion aus, indem sie erhitzte, aktivierte Feldspate verwendeten, die mit nur 1 bis 2 Prozent der billigeren reaktiven Metalle nanobeschichtet waren. „Dieses neue nanobeschichtete Material löst die Sauerstoffentwicklungsreaktion aus, die die Gesamteffizienz des gesamten Wasserspaltungsprozesses steuert“, sagte er.

„Bei der Wasserspaltung sind zwei chemische Reaktionen erforderlich – eine mit dem Wasserstoffatom und eine mit dem Sauerstoffatom -, um sie zu trennen“, so Sun. „Dieses neue nanobeschichtete Material löste die Sauerstoffentwicklungsreaktion aus, die die Gesamteffizienz des gesamten Wasserspaltungsprozesses steuert.“

Laut Sun ist kobaltbeschichteter Feldspat am effizientesten, die Optimierung der neuen Katalysatoren könnte dazu führen, dass sie die Rohmetalle übertreffen oder sogar die überlegene Effizienz von Platinmetallen erreichen.  Die Alumosilikate seien zwar chemisch inert, aber die Hitze verursache Defekte, die für chemische Reaktionen und den Elektronentransport nützlich seien. Der neue Katalysator könnte auch die Kosten von Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) und anderen nachhaltigen Energielösungen, die auf elektrochemischen Umwandlungen beruhen, senken, sagte er.

„Diese Forschung könnte die australische Wertschöpfungskette im Bereich der erneuerbaren Energien durch die Wiederverwendung von Bergbauabfällen und die Einführung neuer Technologien in traditionellen Industrien erweitern“, so Sun. „Unternehmen wie Tesla könnten diese Technologie für die Energieerzeugung, fortschrittliche Energiespeicherlösungen wie neue Batterietechnologien und erneuerbare Kraftstoffe nutzen.“Die Forscher wollen die Katalysatoren nun im Pilotmaßstab testen.

Neben Professor Sun und Dr. Peng waren auch andere Forscher des QUT Centre for Materials Science beteiligt, darunter Professor Godwin Ayoko, Dr. Jun Mei und Dr. Juan Bai von der QUT Faculty of Science und Associate Professor Liao Ting von der QUT Faculty of Engineering.

Sun und Peng konzentrieren sich beide auf die Entwicklung von Materialien für neue nachhaltige Technologien. Peng ist Experte für die Nutzung von Tonmineralien und Abraumhalden für funktionelle Materialien durch kostengünstige Mineralverarbeitungstechnologien. Er sagte, dass die Bergbauindustrie jedes Jahr tonnenweise Abfallmaterial produziert, das Australien für nachhaltige Technologien nutzen könnte. „Aluminosilikat kommt häufig in verschiedenen Bergbauabfällen vor und ist so billig, dass die Bergbauunternehmen normalerweise für seine Entsorgung bezahlen würden“, sagte Peng.

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