Forscher entdecken einen Weg, Wasserstoff zu erzeugen und gleichzeitig Wasser zu reinigen

Erschwingliche, einfach herstellbare Katalysatortreibstoffe sind ein neues Verfahren, das netzunabhängige Energielösungen revolutionieren könnte.

24. April 2023 Von Adrianna MacPherson

In einer Brennstoffzelle, die den von U of A-Forschern entdeckten neuen Katalysator verwendet, reagiert zugeführtes Wasser mit dem Katalysator, um Wasserstoff und Trinkwasser zu erzeugen. (Foto: Dark Matter Materials)

Forscher der University of Alberta haben einen neuen Katalysator entwickelt, der die Art und Weise, wie wir Strom erzeugen und Wasser reinigen, revolutionieren könnte. Wenn der Katalysator in jede Art von Wasser gegeben und mit einer kleinen Energiemenge versorgt wird, erzeugt er Wasserstoff, der in eine Brennstoffzelle eingespeist werden kann, um zusammen mit destilliertem Wasser, das sicher zu trinken ist, Strom zu erzeugen.

Der Katalysator wurde fast ausschließlich zufällig entdeckt, als Robin Hamilton eine Elektrode für einen Studenten herstellte, der an einem Upcycling-Projekt für Abfallbiomasse arbeitete. Er mischte eine Kombination aus Pulvern und ließ sie über Nacht in Wasser stehen, um die Zelle am nächsten Tag fertigzustellen. Als er am Morgen zurückkam, blubberte die Mischung – eine äußerst ungewöhnliche Reaktion.

„Wenn man diese beiden Dinge miteinander vermischt, kommt es letztendlich dazu, dass sie interagieren, zusammenarbeiten und Wasserstoff entsteht. Es hat uns umgehauen“, sagt Hamilton, ein leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachbereich Chemie.

Hamilton konsultierte die Chemieprofessoren Jeff Stryker und Jonathan Veinot, teilte die unerwartete Entdeckung mit und stützte sich auf ihre jeweiligen Fachkenntnisse. Das Team erkannte schnell, dass es etwas Bemerkenswertes vorhatte – die spezielle Kombination von Pulvern könnte als neuer Katalysatortyp dienen.

Der von ihnen hergestellte Katalysator besteht aus ungiftigem und reichlich vorhandenem Material. Die Herstellung ist einfach und kostengünstig, was ihn zu einer erschwinglichen und zugänglichen Alternative zu den derzeit auf dem Markt erhältlichen Katalysatoren macht, die teure und begrenzt verfügbare Materialien erfordern.

Ihr Katalysator kann auch mit jeder Art von Wasser verwendet werden, ein weiterer Faktor, der ihm einen Vorteil gegenüber aktuellen Methoden zur Wasserstofferzeugung wie der Wasserelektrolyse verschafft.

„Es gibt einen Mangel an Trinkwasser und das ist das größte Problem bei der Wasserelektrolyse zur Erzeugung von Wasserstoff – man muss sauberes Wasser verwenden“, sagt Hamilton. „Damit tust du das nicht. Wir nehmen etwas, das schmutzig ist, das man nicht trinken kann, und erzeugen in einer Brennstoffzelle Wasserstoff und Strom. Und es spuckt Wasser aus, das man trinken kann.“

„Man könnte Ölsand-Rückstandsbecken in nutzbaren Brennstoff umwandeln und gleichzeitig das Wasser reinigen. Es hört sich an, als wäre es zu schön, um wahr zu sein, aber das ist es nicht“, fügt Veinot hinzu.

Der Katalysator stellt nicht nur eine deutliche Verbesserung gegenüber den derzeit verfügbaren Katalysatoren dar, sondern verwandelt auch einen normalerweise energieintensiven Prozess in etwas, das mit weitaus niedrigeren Temperaturen und weniger Energieaufwand erreicht werden kann.

Der neue katalysatorgesteuerte Prozess führt außerdem zu wenig Sauerstoff und ist somit weniger flüchtig als aktuelle Methoden. Wie Hamilton erklärt, ist die Wasserelektrolyse bei der Verwendung einer Wasserstoff-Brennstoffzelle die häufigste Methode zur Wasserstofferzeugung. Bei diesem Prozess wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten, getrennt und anschließend in der Brennstoffzelle wieder zusammengeführt, um Strom zu erzeugen.

„Man mischt Wasserstoff und Sauerstoff und erreicht bestimmte Konzentrationen, das ist eine explosive Mischung. Sie müssen sie also trennen, um sie sicher verwenden zu können. Mit unserer Methode sequestrieren wir den Sauerstoff ohne die sonst üblichen teuren Membranseparatoren und können den Wasserstoff erzeugen und direkt in die Brennstoffzelle leiten. Man muss es nicht trennen“, sagt Hamilton.

„Denken Sie darüber nach, dass Ihr Gartenschlauch Sie mit Wasser versorgt, das praktisch bei Bedarf in den von Ihnen gewünschten Brennstoff umgewandelt werden kann. Es nimmt den Transport weg, es nimmt die Lagerung weg, es beseitigt negative Sprengmöglichkeiten“, fügt Veinot hinzu.

Die Forscher versuchen zunächst, netzunabhängige Geräte zu entwickeln, die abgelegenen Gemeinden helfen oder bei der Katastrophenhilfe helfen könnten, wenn der Zugang zu Erdgas und Trinkwasser ein Problem darstellt. Sie stellen sich ein All-in-One-System vor, das relativ kompakt und einfach zu bedienen ist – „ein bisschen wie ein SodaStream, aber anstatt CO2 auszuspritzen, um Ihr kohlensäurehaltiges Getränk zu erhalten, wird der ausgasende Wasserstoff in Ihre Brennstoffzelle geleitet.“ um Ihren Strom zu erzeugen“, sagt Hamilton.

„Off-Grid-Lösungen sind das erste Ziel, denn dort können wir die größte Wirkung erzielen.“

Applied Quantum Materials, ein von Veinot mitgegründetes Unternehmen, gründet Dark Matter Materials, ein neues von Stryker und Hamilton mitgegründetes Unternehmen, um den neuen Katalysator und die neue Methode zu kommerzialisieren. Dark Matter Materials hat bereits Interesse aus dem lokalen Energie- und Agrarsektor sowie von mehreren multinationalen Unternehmen mit Sitz in den Vereinigten Staaten, Europa und Asien geweckt.

„Wir befinden uns in Alberta in einer einzigartigen Situation, da Edmonton ein Wasserstoffknotenpunkt sein wird. Die U of A engagiert sich schon lange im Energiebereich, und die Chemieabteilung engagiert sich schon lange im Energiebereich im Zusammenhang mit den Ölsanden“, sagt Veinot. „Wir haben jetzt die entscheidende Chance, dies auf die nächste Stufe zu heben.“

Robin Hamilton, Jeff Stryker und Jonathan Veinot werden diese Woche auf der Canadian Hydrogen Convention in Edmonton sein, um ihren innovativen Katalysator zur Herstellung von Wasserstoff und destilliertem Wasser vorzustellen und vorzuführen. Sie gehören zu den mehr als einem Dutzend Forschern der University of Alberta, die auf dem Kongress sprechen und am Stand der U of A Vorführungen geben und ihre Arbeit zu allen Themen hervorheben, von der Frage, wie Wasserstoff zur Dekarbonisierung von Stromnetzen beitragen kann, bis hin zur Frage, wie er Stadtbusse und schwere Lastkraftwagen antreiben kann .