Wasserstoffherstellung Nanopartikel machen Wasserstoffgewinnung billiger

Redakteur: Peter Königsreuther

Die Gesellschaft Deutscher Chemiker e. V. berichtet hier über einen neuartigen Weg, auf dem man zu günstigem Wasserstoff für die Mobilität der Zukunft kommen kann.

Firmen zum Thema

Grünen Wasserstoff zu tanken, soll in Zukunft unsere Mobilität umweltfreundlicher machen. Chemiker haben nun bimetallische Nanopartikel geschaffen, die die Wasserstoffgewinnung günstiger machen könnten.
Grünen Wasserstoff zu tanken, soll in Zukunft unsere Mobilität umweltfreundlicher machen. Chemiker haben nun bimetallische Nanopartikel geschaffen, die die Wasserstoffgewinnung günstiger machen könnten.
(Bild: dpa)

Die mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen betriebene Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse ist nach Ansicht vieler ein umweltfreundlicher Weg, um der viel zitierten globalen Klima- und Energieproblematik zu begegnen. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellt ein Forschungsteam jetzt ein neuartiges und günstiges Elektrodenmaterial vor, das eine hocheffiziente und damit energiesparende Wasserstoffproduktion in Aussicht stellt. Der Clou sind poröse phosphorisierte Dotter/Schale-Nanokugeln.

Neues Elektrodenmaterial auf Nickel-Kobalt-Basis

Leider, sagen die Forschenden, verlaufen beide Teilreaktion der Wasserelektrolyse (Wasserstoff- und Sauerstoffbildung) nur relativ langsam ab und benötigen auch noch viel Strom. Katalytisch wirksame Elektroden, die auf Edelmetallen basierten, könnten die elektrochemischen Prozesse aber beschleunigen und dabei Strom sparen. Sie im großen Maßstab zu nutzen, sei aber sehr teuer und es fehle an Stabilität im Prozess. Und Alternativen auf Basis häufig vorkommender und damit billigerer Metalle funktionieren bisher meist nicht zufriedenstellend für beide Teilreaktionen, heißt es weiter.

Das Team um Shuyan Gao (Henan Normal University, China) und Xiong Wen (David) Lou (Nanyang Technological University, Singapur) hat jetzt aber ein multifunktionales Elektrodenmaterial auf Basis von Kobalt (Co) und Nickel (Ni) entwickelt, das für eine effiziente elektrokatalytische Wasserstoffproduktion sorgt. Zur Herstellung werden Nanokügelchen aus Kobalt-Nickel-Glycerat sulfidiert und einer Gasphasen-Phosphorisierung unterzogen. Dabei entstehen sogenannte Dotter/Schale-Nanopartikel aus phosphordotiertem Kobalt-Nickel-Sulfid (P-CoNi2S4). Die winzigen Kügelchen beinhalten einen kompakten Kern mit einer porösen Hülle darum herum. Zwischen beiden besteht ein Leerraum – ähnlich einem Ei, dessen Dotter von Eiweiß umhüllt ist und deshalb die Schale von innen nicht berührt, veranschaulichen die Chemiker.

Das prinzip der effizienten und damit günstigen Wasser- und Harnstoff-Elektrolyse an bimetallischen Dotter/Schale-Nanopartikeln.
Das prinzip der effizienten und damit günstigen Wasser- und Harnstoff-Elektrolyse an bimetallischen Dotter/Schale-Nanopartikeln.
(Bild: Wiley-VCH)

Abwässer können Sauerstofferzeugung verbessern

Die Phosphor-Dotierung erhöht den Anteil an am Nickeltyp Ni3+ im Vergleich Gehalt an Ni2+ in den hohlen Partikeln. Das sorge für einen schnelleren Ladungstransfer, durch den die elektrokatalytischen Reaktionen rascher abliefen. Das Material kann außerdem sowohl als Anode als auch als Kathode eingesetzt werden. Es zeigt eine hohe Aktivität und Beständigkeit bei der Wasserstoff- und Sauerstofferzeugung im Rahmen der Wasserelektrolyse, heißt es auch.

Um die Gesamtspannung der dazu nötigen Elektrolysezelle zu senken, wird außerdem nach hybriden Elektrolysekonzepten gesucht. So könnte die Wasserstoff erzeugende Reaktion anstatt an die Sauerstofferzeugung an die Oxidation von Harnstoff gekoppelt werden, die deutlich weniger Energie benötigt, so die Experten. Als Harnstoffquelle sind Abwässer industrieller Synthesen und Sanitärabwässer denkbar. Auch für diese Teilreaktion seien die neuen Nanopartikel sehr gut geeignet.

Denn sowohl für die Elektrolyse von Wasser als auch von Harnstoff benötigen sie nur eine vergleichsweise geringe Zellspannung (1,544 Volt respektive 1,402 Volt bei 10 Milliampere pro Quadratzentimeter über 100 Stunden). Damit sind die neuen bimetallischen Dotter/Schale-Partikel den meisten bekannten Nickel-Sulfid- und sogar Edelmetall-basierten Elektrokatalysatoren überlegen. Sie stellen folglich einen interessanten Ansatz für eine günstigere elektrochemische Wasserstoffproduktion, aber auch für die Behandlung harnstoffhaltiger Abwässer dar, wie die Forschenden resümieren.

(ID:47636714)