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Forscher gewinnen Wasserstoff aus dem Meerwasser

Das Trennen von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff stellt eine Alternative zu fossilen Brennstoffen dar, aber gereinigtes Wasser ist eine wertvolle Ressource. Ein Stanford-Team hat nunmehr ein neues Verfahren entwickelt, Meerwasser - die reichste Quelle der Erde - für chemische Energie zu nutzen.

Es wurde also eine Möglichkeit entwickelt, Wasserstoffkraftstoff mit Sonnenenergie, Elektroden und Salzwasser aus der San Francisco Bay zu erzeugen.

Die Ergebnisse, die in den "Proceedings of the National Academy of Sciences" veröffentlicht wurden, zeigen einen neuen Weg, Wasserstoff und Sauerstoff aus Meerwasser mit Elektrizität zu trennen.

Bestehende Wassertrennmethoden basieren auf hochreinem Wasser, das eine wertvolle Ressource und teuer in der Herstellung ist.

Rein theoretisch, um Städte und Autos zu betreiben, "braucht man so viel Wasserstoff, dass es nicht vorstellbar ist, gereinigtes Wasser zu verwenden", sagte Stanford-Professor Hongjie Dai, Co-Senior-Autor des Berichtes. "Wir haben kaum genug Wasser für unseren aktuellen Bedarf in Kalifornien."

Wasserstoff ist eine attraktive Option für Kraftstoffe, weil er kein Kohlendioxid emittiert, sagte Dai. Die Verbrennung von Wasserstoff erzeugt nur Wasser und sollte die Verschärfung der Klimaprobleme mindern.

Dai sagte, dass sein Labor mit einer Demo ein Proof-of-Concept zeigte, aber die Forscher werden es den Herstellern überlassen, das Design zu skalieren und in Serie herzustellen.

Korrosionsbekämpfung

Als Konzept ist die Trennung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit Strom - genannt Elektrolyse - eine einfache und alte Idee: Eine Stromquelle wird mit zwei im Wasser befindlichen Elektroden verbunden. Beim Einschalten des Geräts sprudelt Wasserstoffgas aus dem negativen Ende - der Kathode - und am positiven Ende - der Anode - entsteht atmungsaktiver Sauerstoff.

Negativ geladenes Chlorid im Meerwassersalz kann jedoch das positive Ende angreifen und die Lebensdauer des Systems einschränken. Dai und sein Team wollten daher einen Weg finden, dass diese Meerwasserkomponenten die eingetauchten Anoden nicht zerstören.

Die Forscher entdeckten, sobald sie auf die Anode Schichten auftragen, die reich an negativen Ladungen sind, dass diese Schichten Chlorid abstoßen und den Zerfall des darunter liegenden Metalls verlangsamen.

Sie schichteten Nickel-Eisen-Hydroxid auf Nickelsulfid, das einen Nickelschaumkern bedeckt. Der Nickelschaum arbeitet als Leiter - er transportiert Strom aus der Stromquelle - und das Nickel-Eisen-Hydroxid startet die Elektrolyse und trennt Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff.

Während der Elektrolyse entwickelt sich das Nickelsulfid zu einer negativ geladenen Schicht, die die Anode schützt. So wie sich die negativen Enden zweier Magnete abstoßen, so weist die negativ geladene Schicht Chlorid ab und verhindert, dass es das Kernmetall erreicht.

Ohne die negativ geladene Beschichtung funktioniert die Anode im Meerwasser nur etwa 12 Stunden, so Michael Kenney, Doktorand im Dai-Labor und Co-Lead-Autor des Forschungsberichtes. "Die gesamte Elektrode zerbröckelt", sagte Kenney. "Aber mit dieser Schicht kann sie mehr als tausend Stunden funktionieren."

Frühere Forschungen, die versuchten, Meerwasser für Wasserstoff zu spalten, verwendeten nur einen geringen elektrischen Strom, da Korrosion bei höheren Strömen auftritt. Aber Dai, Kenney und ihre Kollegen konnten durch ihr Mehrschichtelement bis zu zehnmal mehr Strom einsetzen, wodurch sie schneller Wasserstoff aus Meerwasser erzeugen können. "Ich denke, wir haben bei der Meerwassertrennung einen Stromrekord aufgestellt", sagte Dai.

Die Teammitglieder führten die meisten ihrer Tests unter kontrollierten Laborbedingungen durch, wo sie die Strommenge für das System regeln konnten.

Aber sie entwickelten auch ein solarbetriebenes Demonstrationssystem, das Wasserstoff- und Sauerstoffgas aus Meerwasser von der San Francisco Bay erzeugte.

Und ohne die Gefahr der Korrosion durch Salze erreichte das Gerät leistungsmäßig aktuelle Technologien, die gereinigtes Wasser verwenden. "Das Beeindruckende an dieser Studie war, dass wir mit elektrischen Strömen arbeiten konnten, die denen entsprechen, die heute in der Industrie verwendet werden", sagte Kenney.

Jetzt, da das Grundrezept für die Elektrolyse mit Meerwasser ausgearbeitet ist, wird das neue Verfahren Türen öffnen, um die Verfügbarkeit von Wasserstoffkraftstoff aus Solar- oder Windenergie zu erhöhen.

In der Zukunft könnte die Technologie auch für andere Zwecke als für die Energieerzeugung eingesetzt werden. Da der Prozess auch atmungsaktiven Sauerstoff produziert, könnten Taucher oder U-Boote diese Systeme im Ozean verwenden und dort Sauerstoff erzeugen, ohne dass sie an die Oberfläche kommen müssen.

Diese Forschungsarbeit wurde vom U.S. Department of Energy, der National Science Foundation, der National Science Foundation of China und dem National Key Research and Development Project of China finanziert.

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