Neues innovatives System kann Meerwasser in Kraftstoff umwandeln

Mar 14, 2023

Von SLAC National Accelerator Laboratory, 30. Mai 2023

Eine Darstellung des bipolaren Membransystems des Teams, das Meerwasser in Wasserstoffgas umwandelt. Bildnachweis: Nina Fujikawa/SLAC National Accelerator Laboratory

Der Elementcocktail im Meerwasser, darunter Wasserstoff, Sauerstoff, Natrium und andere, ist für das Leben auf der Erde unerlässlich. Diese komplizierte chemische Zusammensetzung stellt jedoch eine Herausforderung dar, wenn man versucht, Wasserstoffgas für nachhaltige Energieanwendungen abzutrennen.

Kürzlich hat ein Team von Wissenschaftlern des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums, der Stanford University, der University of Oregon und der Manchester Metropolitan University eine Methode zur Gewinnung von Wasserstoff aus dem Ozean entdeckt. Dies erreichen sie, indem sie Meerwasser durch ein Doppelmembransystem und Elektrizität leiten.

Ihr innovatives Design erwies sich als erfolgreich bei der Erzeugung von Wasserstoffgas, ohne große Mengen schädlicher Nebenprodukte zu produzieren. Die Ergebnisse ihrer Studie, die kürzlich in der Fachzeitschrift Joule veröffentlicht wurden, könnten dazu beitragen, die Bemühungen zur Herstellung kohlenstoffarmer Kraftstoffe voranzutreiben.

„Viele Wasser-zu-Wasserstoff-Systeme versuchen heute, eine einschichtige oder einschichtige Membran zu verwenden. Unsere Studie hat zwei Schichten zusammengebracht“, sagte Adam Nielander, Associate Scientist am SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, einem SLAC-Stanford gemeinsames Institut. „Diese Membranarchitekturen ermöglichten es uns, die Art und Weise zu kontrollieren, wie sich Ionen im Meerwasser in unserem Experiment bewegten.“

Wasserstoffgas ist ein kohlenstoffarmer Kraftstoff, der derzeit auf vielfältige Weise verwendet wird, beispielsweise zum Antrieb von Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen und als langfristige Energiespeicheroption – eine Option, die sich für die Speicherung von Energie über Wochen, Monate oder länger eignet – für Elektrofahrzeuge Gitter.

Viele Versuche, Wasserstoffgas herzustellen, beginnen mit frischem oder entsalztem Wasser, aber diese Methoden können teuer und energieintensiv sein. Aufbereitetes Wasser ist einfacher zu verarbeiten, da weniger Stoffe – chemische Elemente oder Moleküle – im Umlauf sind. Die Reinigung von Wasser sei jedoch teuer, benötige Energie und erhöhe die Komplexität der Geräte, sagten die Forscher. Eine andere Option, natürliches Süßwasser, enthalte ebenfalls eine Reihe von Verunreinigungen, die für die moderne Technologie problematisch seien, und sei außerdem eine begrenztere Ressource auf dem Planeten, sagten sie.

Um mit Meerwasser zu arbeiten, implementierte das Team ein bipolares oder zweischichtiges Membransystem und testete es mithilfe der Elektrolyse, einer Methode, bei der Elektrizität verwendet wird, um Ionen oder geladene Elemente anzutreiben, um eine gewünschte Reaktion durchzuführen. Sie begannen ihren Entwurf mit der Kontrolle des schädlichsten Elements für das Meerwassersystem – Chlorid, sagte Joseph Perryman, ein SLAC- und Stanford-Postdoktorand.

"There are many reactive speciesA species is a group of living organisms that share a set of common characteristics and are able to breed and produce fertile offspring. The concept of a species is important in biology as it is used to classify and organize the diversity of life. There are different ways to define a species, but the most widely accepted one is the biological species concept, which defines a species as a group of organisms that can interbreed and produce viable offspring in nature. This definition is widely used in evolutionary biology and ecology to identify and classify living organisms." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">„Spezies im Meerwasser, die die Wasser-zu-Wasserstoff-Reaktion stören können, und das Natriumchlorid, das Meerwasser salzig macht, ist einer der Hauptschuldigen“, sagte Perryman. „Insbesondere Chlorid, das an die Anode gelangt und oxidiert, verkürzt die Lebensdauer.“ eines Elektrolysesystems und kann aufgrund der toxischen Natur der Oxidationsprodukte, zu denen molekulares Chlor und Bleichmittel gehören, tatsächlich unsicher werden.“

Die bipolare Membran im Experiment ermöglicht den Zugang zu den Bedingungen, die zur Herstellung von Wasserstoffgas erforderlich sind, und verhindert, dass Chlorid in das Reaktionszentrum gelangt.

„Im Wesentlichen verdoppeln wir unsere Möglichkeiten, diese Chloridreaktion zu stoppen“, sagte Perryman.

Das ideale Membransystem würde drei Hauptfunktionen erfüllen: Wasserstoff- und Sauerstoffgase vom Meerwasser trennen; helfen dabei, nur die nützlichen Wasserstoff- und Hydroxidionen zu bewegen und gleichzeitig andere Meerwasserionen einzuschränken; und helfen, unerwünschte Reaktionen zu verhindern. Es ist schwierig, alle drei dieser Anforderungen zusammen zu erfassen, und die Forschung des Teams zielt auf die Erforschung von Systemen ab, die alle drei dieser Anforderungen effizient kombinieren können.

Konkret passieren in ihrem Experiment Protonen, bei denen es sich um positive Wasserstoffionen handelt, durch eine der Membranschichten zu einem Ort, an dem sie gesammelt und durch Wechselwirkung mit einer negativ geladenen Elektrode in Wasserstoffgas umgewandelt werden können. Die zweite Membran im System lässt nur negative Ionen wie Chlorid durch.

Als zusätzlichen Rückhalt enthält eine Membranschicht negativ geladene Gruppen, die an der Membran befestigt sind, was es anderen negativ geladenen Ionen wie Chlorid erschwert, sich an Orte zu bewegen, an denen sie nicht sein sollten, sagte Daniela Marin, eine Stanford-Absolventin Student der Chemieingenieurwissenschaften und Co-Autor. Die negativ geladene Membran erwies sich in den Experimenten des Teams als äußerst effizient bei der Blockierung fast aller Chloridionen, und ihr System arbeitete, ohne giftige Nebenprodukte wie Bleichmittel und Chlor zu erzeugen.

Neben der Entwicklung eines Meerwasser-zu-Wasserstoff-Membransystems liefert die Studie auch ein besseres allgemeines Verständnis darüber, wie sich Meerwasserionen durch Membranen bewegen, sagten die Forscher. Dieses Wissen kann Wissenschaftlern helfen, stärkere Membranen auch für andere Anwendungen zu entwickeln, beispielsweise für die Herstellung von Sauerstoffgas.

„Es besteht auch ein gewisses Interesse daran, Elektrolyse zur Herstellung von Sauerstoff zu nutzen“, sagte Marin. „Das Verständnis des Ionenflusses und der Ionenumwandlung in unserem bipolaren Membransystem ist auch für diese Bemühungen von entscheidender Bedeutung. Neben der Produktion von Wasserstoff haben wir in unserem Experiment auch gezeigt, wie wir die bipolare Membran zur Erzeugung von Sauerstoffgas nutzen können.“

Als nächstes plant das Team, seine Elektroden und Membranen zu verbessern, indem es sie aus Materialien baut, die häufiger vorkommen und leichter abgebaut werden können. Diese Designverbesserung könnte es einfacher machen, das Elektrolysesystem auf eine Größe zu skalieren, die zur Erzeugung von Wasserstoff für energieintensive Aktivitäten wie den Transportsektor erforderlich ist, sagte das Team.

Die Forscher hoffen auch, ihre Elektrolysezellen zur Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) des SLAC zu bringen, wo sie mithilfe der intensiven Röntgenstrahlen der Anlage die atomare Struktur von Katalysatoren und Membranen untersuchen können.

„Die Zukunft für grüne Wasserstofftechnologien ist rosig“, sagte Thomas Jaramillo, Professor am SLAC und Stanford und Direktor von SUNCAT. „Die grundlegenden Erkenntnisse, die wir gewinnen, sind der Schlüssel für zukünftige Innovationen für eine verbesserte Leistung, Haltbarkeit und Skalierbarkeit dieser Technologie.“

Referenz: „Wasserstoffproduktion mit meerwasserbeständigen bipolaren Membranelektrolyseuren“ von Daniela H. Marin, Joseph T. Perryman, McKenzie A. Hubert, Grace A. Lindquist, Lihaokun Chen, Ashton M. Aleman, Gaurav A. Kamat, Valerie A. Niemann, Michaela Burke Stevens, Yagya N. Regmi, Shannon W. Boettcher, Adam C. Nielander und Thomas F. Jaramillo, 11. April 2023, Joule.DOI: 10.1016/j.joule.2023.03.005

Dieses Projekt wird vom US Office of Naval Research unterstützt; der Stanford Doerr School of Sustainability Accelerator; das Office of Basic Energy Sciences, Chemical Sciences, Geosciences, and Biosciences Division des DOE über das SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, ein gemeinsames Institut von SLAC und Stanford; und das DOE-Büro für Brennstoffzellentechnologien für Energieeffizienz und erneuerbare Energien.