Elektrode auf Kohlenstoffbasis zur Wasserstoffproduktion

Forschungsergebnisse der Heumann-Gruppe am CEC als Cover-Feature in ChemSusChem

Wenn er aus nicht-fossilen Quellen hergestellt wird, ist Wasserstoff der emissionsfreie Kraftstoff der Zukunft. Die Vergasung von Biomasse oder die Elektrolyse von Wasser sind mögliche saubere Wege, um diesen sogenannten grünen Wasserstoff zu gewinnen. Für eine globale Anwendung muss das Material für die Elektroden des Elektrolyseurs nachhaltig, skalierbar und im Vergleich zu den derzeitigen Elektroden auf Edelmetallbasis kostengünstiger sein. Eine Schlüsselanforderung an nachhaltige und grüne Energiesysteme ist darüber hinaus auch, dass alle schädlichen oder seltenen Ressourcen, die in dem Gewinnungs- und Umwandlungsprozess verwendet werden, Teil eines geschlossenen Materialkreislaufs sein müssen.

Die Redaktion der Zeitschrift ChemSusChem erkannte jetzt die Bedeutung der auf diesem Gebiet von der Heumann-Gruppe ‘Kohlenstoff Synthese und Anwendung’ am Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr (MPI CEC) erzielten Forschungsergebnisse und platzierte sie auf dem Titel der aktuellen Ausgabe (16/2020).

Die Publikation der Heumann-Gruppe als Cover-Feature der aktuellen Ausgabe (16/2020) von ChemSusChemCC-BY 4.0

In der aktuellen Arbeit der Heumann-Gruppe wird eine Elektrode auf Kohlenstoffbasis zur Wasserstoffproduktion vorgestellt, die Teil eines geschlossenen Materialkreislaufs sein kann, wenn sie aus Biomasse hergestellt wird. Die kontinuierliche Wasserstoffproduktion findet an der Kathode durch katalytische Wasserspaltung während der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) statt, wobei bewusst die Zersetzung der Elektrode in CO2 analog zum Prozess der natürlichen Zersetzung von Biomasse ermöglicht wird. Diese Strategie einer Opferelektrode könnte eine skalierbare und kostengünstige Materiallösung für die Wasserstoff-Produktion aus erneuerbaren Energiequellen bieten. Yuxiao Ding et al. demonstrierten die theoretische und technische Machbarkeit der Verwendung von Kohlenstoff zur Herstellung von Wasserstoff. Darüber hinaus zeigt die Autorenschaft, dass chemische Modifikationen die Leistungsmerkmale gegenüber dem katalytischen Prozess weiter verbessern können. In Kombination mit Strom aus erneuerbaren Quellen bietet diese Idee eine echte Option für zukünftige Energiesysteme.

Ausschnitte aus dem CSC-Text – Einführung und Ergebnisse

Die Energieversorgung der Zukunft basiert auf erneuerbaren Quellen. Obwohl Sonne und Wind unendlich verfügbar sind, ist ihre Energie in den meisten Fällen nicht direkt nutzbar. Diese Primärquellen werden in der Regel in andere Formen umgewandelt und dann entweder direkt zum Endverbraucher transportiert, gespeichert oder in einen anderen Energievektor umgewandelt, der den Bedürfnissen des Endverbrauchers besser entspricht. Die chemische Energie gehört zu den nützlichsten Vektoren. Sie stellt nicht nur den Hauptenergie-Einsatzmaterial aller Formen synthetisierter materieller Produkte dar, sondern ist auch ein sehr wirksames langfristiges Speichermedium, da ein klug gewähltes Molekül sich natürlicherweise nicht mit einer nennenswerten Geschwindigkeit zersetzt.

Einer der gebräuchlichsten Ansätze zur Speicherung erneuerbarer Energie in chemischer Form ist die Verwendung von Elektrizität zur Aufspaltung von Wasser in H2 und O2. In diesem Fall ist der Energievektor H2, und er ist erwünscht, da er eine hohe Energiedichte hat und ein wichtiges Einsatzmaterial für die chemische Industrie ist. Die größte Herausforderung bei der großtechnischen Wasserelektrolyse sind die Materiallösungen der Elektroden. Leider basieren die besten Materialien für Aktivität und Stabilität auf Iridium oder Platin, den seltensten und teuersten Elementen. Die überwiegende Mehrheit der bekannten Elektrodenmaterialien ist bei der Wasserspaltung unwirksam oder löst sich auf, wenn sie den erforderlichen elektrochemischen Bedingungen ausgesetzt wird.

Die am Elektrolyten beteiligten organischen Moleküle verringern den Energieverbrauch, aber die Trennung von Wasserphase und organischer Phase schränkt die Skalierbarkeit ein. Darüber hinaus müssen verbrauchte organische Moleküle aufgrund ihres unwiederbringlichen Verbrauchs kontinuierlich nachgefüllt werden. Um der Forderung nach Nachhaltigkeit gerecht zu werden, muss es sich notwendigerweise nur um geschlossene Stoffkreisläufe handeln. Das bedeutet, dass alle Produkte des Prozesses letztendlich wieder in Ausgangsstoffe umgewandelt werden müssen. Diese Forderung nach einem “geschlossenen Stoffkreislauf” ist besonders dringlich, wenn es sich bei den betreffenden Materialien entweder um seltene Ausgangsstoffe oder um toxische Nebenprodukte handelt. Diese Faktoren bestimmen die Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit des Energiesystems.

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