Wissenschaftler haben eine neue Methode gefunden, um Wasserstoff aus Wasser herzustellen. Die Entdeckung stammt von der Oregon State University, wo Forscher ein lichtaktiviertes Material entwickelten, das Wasser ohne teure Metallkatalysatoren in Wasserstoff spaltet. Das Material, genannt BVR-19, verwendet eine ungewöhnliche Schwefelbindung, die beim Auftreffen von Licht aufbricht.
Die Arbeit wurde von Kyriakos Stylianou vom College of Science der OSU geleitet. Sein Team veröffentlichte die Ergebnisse in der Zeitschrift „Journal of the American Chemical Society“. Sie sagen, der Ansatz könnte einen günstigeren und praktikableren Weg bieten, um Sonnenlicht in saubere Energie umzuwandeln.
Funktionsweise des Materials
Ein Katalysator beschleunigt eine chemische Reaktion, ohne sich selbst zu verändern. Ein Photokatalysator funktioniert auf die gleiche Weise, benötigt aber Licht, um zu beginnen. Wenn das Material Licht absorbiert, geht es in einen Zustand höherer Energie über. Diese Energie treibt dann die chemische Reaktion schneller an.
Stylianous Forschung konzentriert sich auf metallorganische Gerüstverbindungen, oder MOFs. Dies sind kristalline, poröse Materialien, deren Strukturen präzise eingestellt werden können. MOFs bestehen aus positiv geladenen Metallionen, die von organischen „Linker“-Molekülen umgeben sind. Ihre winzigen Poren und anpassbaren Formen ermöglichen es Wissenschaftlern, ihre Eigenschaften für verschiedene Anwendungen anzupassen.
Millionen von MOF-Strukturen sind theoretisch möglich, sagte Stylianou. Chemie-Forscher haben bereits fast 100.000 davon hergestellt, während die Eigenschaften von schätzungsweise einer weiteren halben Million vorhergesagt wurden.
Die Schwefelbindung, die die Arbeit verrichtet
Für diese Studie untersuchte das Team einen MOF namens BVR-19. Er enthält eine ungewöhnliche Bindung zwischen zwei Schwefelatomen. Diese Bindung bricht vorübergehend bei Lichteinwirkung und erzeugt hochreaktive Schwefelarten.
„Die organische Komponente verrichtet die eigentliche Arbeit“, sagte Stylianou. „Anstatt sich hauptsächlich auf die Metallatome zu verlassen, verwendet unser Material seine schwefelhaltigen organischen Bausteine, um Lichtsenergie einzufangen und Elektronen dorthin zu bewegen, wo sie benötigt werden, um Wasserstoff zu produzieren. Dies stellt eine andere Art der Betrachtung dar, wie diese Materialien entworfen werden sollten.“
Aufgrund dieses Designs benötigt BVR-19 keinen zusätzlichen Metallkatalysator. Das könnte zukünftige lichtgetriebene Wasserstoffsysteme vereinfachen. Das Material bildet sich zudem selbstständig in Wasser bei Raumtemperatur, was den zur Herstellung benötigten Energiebedarf reduziert.
Warum Wasserstoff wichtig ist
Wasserstoff wird in Brennstoffzellen für Fahrzeuge, bei der Ammoniakproduktion, der Metallraffination und der Kunststoffherstellung breit eingesetzt. Die Herstellung aus Wasser mit einem Katalysator kann sauberer sein als das Standardverfahren der Industrie, das auf Erdgas angewiesen ist.
Dieses konventionelle Verfahren, bekannt als Methan-Dampf-Reformierung, setzt Kohlendioxid beim Herstellen von Wasserstoff frei. Bestehende Wasseraufspaltungsverfahren verwenden oft Elektrokatalyse, die Strom benötigt. Der Umweltnutzen hängt stark davon ab, woher diese Energie stammt. Damit das Verfahren nachhaltig und wirtschaftlich wettbewerbsfähig bleibt, muss der Strom aus kostengünstigen erneuerbaren Quellen stammen.
Derzeit kostet Wasserstoff, der durch Methan-Dampf-Reformierung hergestellt wird, etwa 1,50 Dollar pro Kilogramm. Grüner Wasserstoff kostet grob 5 Dollar pro Kilogramm.
Ein Plan für günstigeren grünen Wasserstoff
„Unsere Arbeit liefert einen Plan für die Entwicklung besserer Materialien, die die Kosten für grünen Wasserstoff senken können“, sagte Stylianou. Er leitet das Materials Discovery Laboratory der Oregon State University, bekannt als MaD Lab. Durch die Änderung des Metalls bei gleichzeitiger Beibehaltung des restlichen Materials fand das Team heraus, warum einige Versionen des MOF deutlich besser funktionieren als andere.
Diese Ergebnisse liefern neue Designregeln für die Herstellung wirksamerer Materialien für die solare Brennstoffproduktion, sagte er.
Wer hat das ermöglicht
MaD-Lab-Mitglieder Emmanuel Musa, Dylan Pyle, Jacob Lessard, Andrzej Gladysiak, Ankit Yadav, Silas Blessed und Prayash Mohanty haben an der Forschung teilgenommen. Ihnen schlossen sich Logan Lancaster, Taylor Krueger, Min Soo Jung, Galen Fritz, Jacob Hirschi, Hongliang Huang, William Stickle, Xiulei „David“ Ji, Chong Fang und Tim Zuehlsdorff von der Oregon State University an.
Der Murdock Charitable Trust, die National Science Foundation und der OSU College of Science unterstützten die Studie.
Ein Vergleich der beiden Möglichkeiten, Wasserstoff herzustellen
| Methode) | Kosten pro Kilogramm) | Hauptnachteil) |
|---|---|---|
| Methan-Dampf-Reformierung) | $1.50 | Setzt Kohlendioxid frei) |
| Wasser-Elektrolyse (grüner Wasserstoff)) | $5 | Hängt davon ab, woher der Strom kommt) |
Die Straße vor uns)
Stylianous Team hat gezeigt, dass MOFs so eingestellt werden können, dass sie Licht einfangen und chemische Reaktionen antreiben. Indem das Team den Fokus auf die organischen Linkermoleküle anstatt auf die Metallatome legte, eröffnete es einen neuen Weg für die Herstellung von Solarbrennstoffen.
Die Forschung weist außerdem auf eine praktikablere Methode zur Herstellung von MOFs hin. Da BVR-19 spontan in Wasser bei Raumtemperatur entsteht, sinken die Energiekosten der Herstellung. Das könnte die Technologie einfacher skalierbar machen.
Der Preis von 5 Dollar pro Kilogramm für grünen Wasserstoff ist erheblich. Ein auf MOFs basierendes System, das diesen Preis erreicht und gleichzeitig den Kohlenstoff-Fußabdruck der Methan-Dampf-Reformierung vermeidet, würde diesen vermeiden.
Die Ergebnisse geben den Forschern eine neue Reihe von Designregeln. Die Änderung des Metalls bei Beibehaltung des restlichen Materials zeigte, warum einige Versionen deutlich besser funktionierten als andere.
Die Arbeit des Teams ist eine Erinnerung daran, dass Grundlagenforschung direkt zu praktischen Anwendungen führen kann. Ein Material, das Wasser mit Licht spaltet, ist nicht nur eine Laborneuerung. Es ist ein Kandidat für einen saubereren, günstigeren Weg, um Wasserstoff herzustellen.
Ob es sich um eine kommerzielle Realität entwickelt, hängt von weiteren Tests und der technischen Umsetzung ab. Der grundlegende Ansatz wurde demonstriert. Licht, Wasser und ein clever konstruiertes Molekül können nun Wasserstoff erzeugen.
Quelle: „Scientists just found a new way to make hydrogen from water,”, ScienceDaily.
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