Wasserstoffproduktion aus Meerwasser

Meerwasser, das mehr als 95 % des Wassers auf der Erde ausmacht, könnte durch den Einsatz wasserspaltender Katalysatoren, die von einem KAUST-geführten Team entwickelt wurden, zu einer Schlüsselressource für die nachhaltige Produktion von sauberem Wasserstoffbrennstoff werden.

Die Wasserspaltung könnte einen attraktiven Weg zur CO2-Neutralität bieten, insbesondere in Verbindung mit erneuerbaren Energiequellen wie Solar- und Windkraft. Bei der Wasserspaltung wird Wasser in einer elektrochemischen Zelle zerlegt, um an der Kathode Wasserstoff zu erzeugen, während an der Anode unter angelegter Spannung Sauerstoff entsteht. Allerdings sind Katalysatoren für die Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklung, die in Süßwasser gut funktionieren, im Meerwasser weniger wirksam, da reichlich Ionen vorhanden sind, die unerwünschte Reaktionen fördern und Katalysatoren vergiften können.

Im Meerwasser vorhandene stark korrosive Chloridionen unterliegen komplexen Reaktionen, die mit der Sauerstoffentwicklung konkurrieren und schädliche Verbindungen wie Hypochlorit erzeugen. Da die Wasserstoffproduktion von stabilen und effizienten Reaktionen an beiden Elektroden abhängt, stellen diese Ionen eine große Herausforderung für die Meerwasserspaltung dar.

Der Chemiker erklärt, dass es zur Bildung von Hypochlorit kommen kann, weil diese eine niedrigere Betriebsspannung erfordert, um den industriellen Bedarf zu decken, als die Sauerstoffentwicklungsreaktion.

Eine Möglichkeit, dieses Problem anzugehen, besteht darin, selektive Anodenkatalysatoren mit geringeren Spannungsanforderungen zu entwickeln. Ein einschichtiger Nickel-Iridium-Anodenkatalysator zeigte dank synergistischer Effekte zwischen seinen Metallkomponenten eine verbesserte Leistung und Stabilität in Meerwasser.

Das Team entwickelte einen Ansatz, der hocheffiziente und stabile Elektrokatalysatoren für die Wasserstoffentwicklung für die Meerwasserspaltung bereitstellt. Die Forscher schufen winzige kubische Reaktoren, in denen der Katalysator von einer Molybdänsulfid-Schutzhülle umgeben war. Der Katalysatorkern bestand aus einer kohlenstoffgestützten redoxaktiven Verbindung auf Molybdänbasis und wies eine zeolithähnliche geordnete nanoporöse Struktur auf.
Unter Verwendung eines metallorganischen Gerüstansatzes kombinierten die Forscher Metallkomplexvorläufer mit dem Linker Imidazol in Gegenwart eines Tensids, um zeolithähnliche Zink-Molybdän-Würfel zu erzeugen. Sie vermischten die resultierenden Strukturen mit Thioacetamid in Ethanol unter Rückfluss, um eine kubische Molybdänoxidphase zu bilden, die in einer dünnen Zinksulfidhülle eingeschlossen war.

Anschließend wandelten sie die kubische Phase bei hoher Temperatur chemisch in die gewünschte, in Molybdänsulfid eingekapselte redoxaktive Verbindung um, bevor sie selektiv die Zinksulfid-Außenschicht ätzten, um die Nanoreaktoren zu erhalten.

Die Nanoreaktoren zeigten sowohl in Süß- als auch in Meerwasser eine hohe elektrokatalytische Aktivität und Stabilität. „Die bemerkenswerte Aktivität und Stabilität werden ihrer einzigartigen Struktur zugeschrieben.“

Der Kern wies zahlreiche aktive Stellen auf, die die Wasserstoffproduktion steigerten, und die Hülle wies in ihren Schichten mehrere Defekte auf, insbesondere Löcher in Subnanometergröße, die es Wassermolekülen ermöglichten, zu den internen aktiven Stellen einzudringen und Zugang zu erhalten.

Die Hülle fungierte als Kettenhemd und blockierte und verhinderte auch die Ablagerung von Salzen an den aktiven Stellen.
Die hierarchische Architektur des Nanoreaktors isoliert die Elektrolyse von Nebenreaktionen. „Ähnlich wie bei einem Smart House findet die Hauptreaktion in den Räumen statt, während Nebenreaktionen im Hinterhof stattfinden.“

Ob Sie es glauben oder nicht, Meerwasser eignet sich hervorragend als Treibstoffbasis. Das liegt daran, dass Meerwasser einen Cocktail aus Elementen wie Wasserstoff, Sauerstoff, Natrium und anderen enthält, die alle für das Gedeihen des Lebens auf der Erde unerlässlich sind. Der Treibstoffanteil stammt hier aus dem im Meerwasser vorkommenden Wasserstoff. Leider war es zumindest bisher eine ziemliche Herausforderung, das Wasserstoffgas aus den übrigen Elementen zu gewinnen.

Das Gerät stellt Meerwassertreibstoff her, indem es Meerwasser in ein Trichtersystem einspritzt, das es durch ein Doppelmembran-Filtersystem treibt. Dieses System nutzt auch Elektrizität, um den Wasserstoff erfolgreich aus dem Meerwasser zu gewinnen und ihn so effektiv von den anderen in unseren Ozeanen vorkommenden Elementen zu trennen. Die Ergebnisse dieser neuen Studie zeigen, dass sie dazu beitragen könnte, neue Bemühungen zur Herstellung kohlenstoffarmer Kraftstoffe voranzutreiben.

Der große Vorteil hierbei war, dass das System keine schädlichen Nebenprodukte erzeugte, was bei anderen Systemen der Fall war. Die meisten aktuellen Wasser-zu-Wasserstoff-Systeme verwenden eine einschichtige Membran. Diesmal brachten die Forscher jedoch zwei Schichten zusammen und zeigten eine bessere Möglichkeit, die Art und Weise zu kontrollieren, wie sich Ionen im Meerwasser innerhalb des Experiments bewegten, was es effektiver machte.

Die Herstellung von Wasserstoff als Treibstoff aus Meerwasser würde sich als nützlich erweisen, da es sich um einen kohlenstoffarmen Kraftstoff handelt, der derzeit zum Antrieb von Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen verwendet wird und sogar als Langzeitspeicheroption für Energienetze fungiert. Frühere Versuche, Wasserstoffgas herzustellen, erforderten frisches oder entsalztes Wasser, und obwohl wir erfolgreiche Wasserentsalzungssysteme gesehen haben, sind diese viel teurer und energieintensiver.
Das liegt daran, dass die Reinigung des Wassers vor der Verwendung teure Systeme sowie Energie und sogar eine zusätzliche Komplexität des Geräts erfordert, während ein Gerät, das Meerwasser zur Herstellung von Wasserstoff als Brennstoff verwenden kann, diese zusätzlichen Teile nicht erfordern würde.

Die Herstellung von Wasserstoff aus Meerwasser klingt wie ein wahrgewordener Traum!
Es ist reichlich vorhanden, kostenlos und einfach.
Meerwasser ist eine nahezu unerschöpfliche Rohstoffquelle, und es gibt niemanden, der es in Rechnung stellen kann. Jeder kann kostenlos einen Eimer voll davon bekommen.
Wichtige Akteure der Branche werden sich bestimmt in die Idee verlieben.
Der Prozess der Wasserstoffgewinnung ist einfach. Meerwasser enthält eine große Menge gelösten Wasserstoffgases. Um es zu extrahieren, bedarf es einer einfachen Elektrolyse – das haben wir sogar als Teenager im Physikunterricht gemacht!

So funktioniert es
Es ist natürlich, lagerfähig und sicher
Meerwasser gilt als erneuerbare Energiequelle, die dazu beitragen könnte, unsere Abhängigkeit von fossiler Energie zu verringern. Und der Extraktionsprozess verursacht keine CO2-Emissionen.

Wasserstoff kann gespeichert werden
Gespeicherter Wasserstoff kann zur Stromerzeugung oder zum Antrieb von Fahrzeugen genau dann genutzt werden, wenn sie benötigt werden.
Es gleicht die Ausfälle anderer erneuerbarer Energien aus – regnerische oder windstille Tage. Es ist perfekt für Regionen mit Zugang zu großen Meerwasservorkommen, aber wenigen konventionellen Energieressourcen.
Es kann dazu beitragen, die globale Erwärmung zu reduzieren, die Energiesicherheit zu gewährleisten und die Umwelt zu schützen.

Wirklich kinderleicht
Der Prozess ist energieintensiv: Die Gewinnung von Wasserstoff aus Meerwasser erfordert viel Energie und der Gesamtwirkungsgrad ist recht gering.
Die Herstellung ist teuer: Der Aufbau der Infrastruktur erfordert eine sehr hohe Anfangsinvestition. Auch die Wartung ist von entscheidender Bedeutung, da der Salzgehalt des Meerwassers zu Korrosion und anderen technischen Problemen führen kann.
Die Standorte sind selten: Bei diesen Standorten müssen Wassertiefe und -qualität sowie die Nähe zu Energiequellen berücksichtigt werden. Nicht alle Regionen sind für die Wasserstoffproduktion aus Meerwasser geeignet!
Und schließlich ist es nicht so sicher, wie Sie denken!

Der Prozess setzt Chlorgas frei.
Dieses Gas verbindet sich mit anderen natürlichen Elementen und bildet Dioxine, die Wasser verschmutzen, Fische kontaminieren und auf Menschen und größere Tiere übertragen werden, die die Fische fressen.

Möchten Sie einige Beispiele, mit denen es kombiniert werden kann?
Water =>Salzsäure, akut toxische Wirkung auf alle Lebensformen.
Hydrogen =>Chlorwasserstoffgas, hochexplosive Verbindung
Acetylen, ein Gas, das von einigen Meeresorganismen wie Bakterien und bestimmten Algenarten produziert werden kann. Es verbindet sich zu Dichlorethan, einer hochexplosiven Verbindung.

Äther, Spurenmengen bei bestimmten Algenarten. Es verbindet sich zu Chloracetaldehyd, einer hochgiftigen, krebserregenden Verbindung.
Ammoniak, das häufig von Meeresorganismen produziert wird. Es verbindet sich zu Chloraminen, einem hochgiftigen Atemwegsreizstoff.
Eine vielversprechende Innovation mit dem Potenzial, den Sektor der sauberen Energie zu revolutionieren
Die Wasserstoffproduktion aus Meerwasser könnte einen drastischen Unterschied machen und dazu beitragen, die globale Erwärmung nachhaltiger zu bekämpfen.
Es hat auch das Potenzial, unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern und den Weg in eine sauberere, nachhaltigere und erschwinglichere Zukunft zu ebnen.
Allzu leicht übersieht man bei diesen Versprechen die vielen Herausforderungen und Risiken, die damit verbunden sind.
Dies ist mein Appell an die Wirtschafts- und Energieakteure: Bitte atmen wir tief durch, lehnen wir uns zurück und denken einen Moment darüber nach.

Die Forscher sagten in der Pressemitteilung, dass die Arbeit mit Meerwasser eine wirtschaftlichere Option sei, da die Reinigung von Wasser teuer und energieintensiv sei und die Geräte komplexer mache. Darüber hinaus enthält natürliches Süßwasser Verunreinigungen, die für die moderne Technologie problematisch sind, und ist darüber hinaus eine begrenzte Ressource auf dem Planeten.
Neben der Entwicklung eines Meerwasser-zu-Wasserstoff-Membransystems stellte das Team fest, dass die Studie zu einem besseren Gesamtverständnis darüber geführt hat, wie sich Meerwasserionen durch Membranen bewegen. Dieses Wissen könnte auf andere Bereiche angewendet werden, beispielsweise auf die Herstellung von Sauerstoffgas.
Darüber hinaus sagten sie, dass das Verständnis des Ionenflusses und der Ionenumwandlung im bipolaren Membransystem für die Bemühungen zur Herstellung von Sauerstoff durch Elektrolyse von wesentlicher Bedeutung sei, und das Team zeigte in seinem Experiment, dass die bipolare Membran neben der Produktion von Wasserstoff auch Sauerstoffgas erzeugen könne.
Ziel des Teams ist es, die Elektroden und Membranen mithilfe leichter verfügbarer und leichter zu extrahierender Materialien zu verbessern. Diese Verbesserung des Designs könnte die Skalierung des Elektrolysesystems auf eine für die Erzeugung von Wasserstoff für energieintensive Aktivitäten wie den Transport erforderliche Größe erheblich vereinfachen.

Die Produkte werden in allen Regionen Chinas verkauft und in Länder auf der ganzen Welt exportiert. Sie wurden in mehr als 20 Ländern und Regionen verkauft, darunter in den USA, Deutschland, Marokko, Kenia, Saudi-Arabien, Vietnam, Algerien, Indien, Tansania und Taiwan. Erfolgreich beliefert namhafte Unternehmen wie China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group und andere namhafte Unternehmen. Es gibt viele Wasserstoff-Hydrierstationen für grünen Wasserstoff wie Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming usw., die grüne und wasserstofferzeugende Projekte anbieten.