Forscher in China entwickeln ein Gerät zur direkten Spaltung von Meerwasser zur Herstellung von Wasserstoff

Dec 12, 2023

Petmal/iStock

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Ein Forschungsteam in China hat ein Gerät entwickelt, um salziges Meerwasser zu spalten, um direkt Wasserstoff zu erzeugen. Das Gerät, ein membranbasierter Meerwasserelektrolyseur, trägt dazu bei, die Nebenreaktions- und Korrosionsprobleme herkömmlicher Methoden zu lösen.

Das Team um Zongping Shao, Professor für Chemieingenieurwesen an der chinesischen Nanjing Tech University, hat seine Studie in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht und behauptet, dass sein Modell „über 3.200 Stunden unter praktischen Anwendungsbedingungen ohne Ausfall lief“.

Der größte Teil des heute produzierten Wasserstoffs stammt aus fossilen Brennstoffquellen, was den CO2-Fußabdruck erheblich erhöhen kann. „Die elektrochemische Salzwasserelektrolyse mit erneuerbarer Energie als Input ist eine höchst wünschenswerte und nachhaltige Methode für die Massenproduktion von grünem Wasserstoff“, heißt es in einer Pressemitteilung.

Es gibt jedoch ein Problem. Die Eigenschaften von Salzwasser führen zur Korrosion der in verschiedenen Systemen verwendeten Elektroden und machen diese oft unbrauchbar. Der Einsatz von Polyanion-Beschichtungen zum Schutz vor Korrosion durch Chloridionen oder hochselektive Elektrokatalysatoren hat für praktische Anwendungen nicht ausreichend geholfen.

Ein Entsalzungsverfahren könne das Problem lösen, „aber es erfordert einen zusätzlichen Energieaufwand und ist daher wirtschaftlich weniger attraktiv.“ Auch die Größe der am Entsalzungsprozess beteiligten Geräte macht solche Lösungen weniger flexibel.

Ein Elektrolyseur besteht typischerweise aus zwei mit Katalysatoren beschichteten Elektroden, und eine Membran trennt die Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff. Die Bildung des stark korrosiven Chlorgases führt dabei zu einer schnelleren Degradation von Katalysatoren und Elektroden. Auch Magnesium- und Kalziumionen im Meerwasser können die Membranen verstopfen. Diese Faktoren verringern die Gesamteffizienz und Lebensdauer solcher Geräte.

„Unsere Strategie realisiert eine effiziente, größenflexible und skalierbare direkte Meerwasserelektrolyse auf ähnliche Weise wie die Süßwasserspaltung, ohne dass die Betriebskosten nennenswert steigen“, sagte Shao gegenüber IEEE Spectrum.

Das Team verwendet eine konzentrierte Kaliumhydroxid-Elektrolytlösung, um die Elektroden einzutauchen, und eine poröse Membran hilft dabei, die Elektrolytlösung vom Meerwasser zu trennen. Die fluorreiche Membran blockiert das flüssige Wasser, lässt aber den Wasserdampf durch.

Bei der Elektrolyse zerfällt das Wasser in der Elektrolytlösung in seine Bestandteile. Dies führt zu einer Druckschwankung zwischen dem Elektrolyten und dem Meerwasser, wodurch letzteres verdampft. Gleichzeitig gelangt das Wasser durch die Membran in den Elektrolyten und wird wieder zu flüssigem Wasser, wodurch der Vorrat für den nächsten Zyklus wieder aufgefüllt wird.

„Wichtig ist, dass diese Konfiguration und dieser Mechanismus weitere Anwendungen in der gleichzeitigen wasserbasierten Abwasserbehandlung und Ressourcenrückgewinnung sowie Wasserstofferzeugung in einem Schritt versprechen.“

Die Forscher sind sich sicher, dass ihr Gerät neben der Produktion von Wasserstoff auch Lithium aus dem Meerwasser gewinnen kann. Weitere Anwendungen des Geräts erstrecken sich auf Tätigkeiten wie die Reinigung von industriellem Süßwasser.

Abstrakt

Die elektrochemische Salzwasserelektrolyse unter Verwendung erneuerbarer Energien als Input ist eine äußerst wünschenswerte und nachhaltige Methode für die Massenproduktion von grünem Wasserstoff. Seine praktische Anwendbarkeit wird jedoch durch unzureichende Haltbarkeit aufgrund der Elektrodennebenreaktionen und Korrosionsprobleme aufgrund der komplexen Bestandteile des Meerwassers ernsthaft in Frage gestellt. Obwohl die Katalysatortechnik mit Polyanionenbeschichtungen zur Unterdrückung der Korrosion durch Chloridionen oder zur Schaffung hochselektiver Elektrokatalysatoren umfassend und mit mäßigem Erfolg eingesetzt wurde, ist sie für praktische Anwendungen noch lange nicht zufriedenstellend. Durch die indirekte Meerwasserspaltung mittels eines Vorentsalzungsprozesses können Nebenreaktionen und Korrosionsprobleme vermieden werden, sie erfordert jedoch einen zusätzlichen Energieaufwand, was sie wirtschaftlich weniger attraktiv macht. Darüber hinaus macht das unabhängige, sperrige Entsalzungssystem Meerwasserelektrolysesysteme hinsichtlich der Größe weniger flexibel. Hier schlagen wir eine direkte Meerwasserelektrolysemethode zur Wasserstoffproduktion vor, die die Nebenreaktions- und Korrosionsprobleme radikal angeht. Eine Demonstrationsanlage wurde über 3.200 Stunden unter Praxisbedingungen ohne Ausfall stabil bei einer Stromdichte von 250 Milliampere pro Quadratzentimeter betrieben. Diese Strategie ermöglicht eine effiziente, größenflexible und skalierbare direkte Meerwasserelektrolyse ähnlich der Süßwasserspaltung ohne nennenswerte Erhöhung der Betriebskosten und hat ein hohes Potenzial für die praktische Anwendung. Wichtig ist, dass diese Konfiguration und dieser Mechanismus weitere Anwendungen in der gleichzeitigen wasserbasierten Abwasserbehandlung und Ressourcenrückgewinnung sowie Wasserstofferzeugung in einem Schritt versprechen.