Künstliches Blatt macht aus Meerwasser Wasserstoff

Meerwasser gibt es im Überfluss, Sonnenlicht ebenso. Warum also nicht beides zusammenbringen und daraus Wasserstoff gewinnen? Ganz so einfach ist es leider nicht. Das Salz kann Teile des Elektrolyseurs, den man für die Herstellung von Wasserstoff braucht, angreifen, unerwünschte Chlorverbindungen können entstehen – und der Prozess braucht normalerweise zusätzlich viel Energie.

Forscher der Nanyang Technological University in Singapur (NTU) haben dafür einen ungewöhnlichen Ansatz entwickelt. Ihr kleines „künstliches Blatt“ nutzt Sonnenlicht direkt als Energiequelle und koppelt die Wasserstoffproduktion an den Abbau von Hydrazin, einem hochgiftigen Industrie-Schadstoff. Die Arbeit von Mahmoud G. Ahmed, Anupam Sadhu und Kollegen erschien in Nature Communications.

Wasserstoff aus Meerwasser: Hydrazin senkt den Energiebedarf

Bei der Elektrolyse wird Wasser mithilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Gerade die Sauerstoffbildung an der Anode benötigt vergleichsweise viel Energie. Die Forscher ersetzen diese Reaktion deshalb durch die Oxidation von Hydrazin.

Das ist gleich aus zwei Gründen interessant. Hydrazin ist hochgiftig und wird unter anderem in industriellen Prozessen eingesetzt. Gleichzeitig lässt es sich wesentlich leichter oxidieren als Wasser zu Sauerstoff. Dadurch sinkt die nötige Spannung drastisch – und auch die problematische Bildung von Chlorverbindungen aus dem Meerwasser wird weitgehend vermieden.

Der Versuchsaufbau funktioniert allerdings nur mit Hydrazin. Ohne den Stoff erzeugte das gekoppelte System keinen messbaren Photostrom. Das künstliche Blatt ist deshalb kein Elektrolyseur, der einfach ins Meer gelegt werden könnte. Es nutzt vielmehr eine zusätzliche chemische Reaktion, um die Wasserstoffproduktion mit deutlich weniger Energie zu ermöglichen.

Sonnenlicht liefert die nötige Energie

Das Herzstück auf der lichtzugewandten Seite ist eine Photokathode aus Perowskit. Das Material absorbiert Licht und erzeugt elektrische Ladungen. Weil Perowskit empfindlich auf Wasser und die alkalische Umgebung reagiert, kapselte das Team die Schicht mit leitfähigem Epoxidharz und Titanfolie ein.

Auf der Gegenseite arbeitet ein Katalysator aus Eisen, Kobalt und Chrom. Er beschleunigt den Abbau des Hydrazins. Dabei entsteht hauptsächlich Stickstoff. Ein kleiner Teil des Hydrazins zerfällt zusätzlich so, dass auch an dieser Elektrode Wasserstoff entsteht.

Unter simuliertem Sonnenlicht erreichte das System eine Photostromdichte von rund 25 Milliampere pro Quadratzentimeter. An der Photokathode entstanden dabei rund 466 Mikromol Wasserstoff pro Quadratzentimeter und Stunde.

Der Aufbau schaffte drei für die weitere Entwicklung wichtige Punkte:

Er arbeitete ohne von außen angelegte Spannung.
Die Leistung blieb auch in echtem Meerwasser vergleichbar.
Unter kontinuierlicher Beleuchtung lief das System mehr als 72 Stunden stabil.

Dass Meerwasser die Leistung kaum verschlechterte, hängt mit der Hydrazin-Reaktion zusammen. Sie läuft bei so niedriger Spannung ab, dass die sonst konkurrierende Chlorchemie weitgehend vermieden wird.

Giftiges Hydrazin sinkt auf 0,5 Teile pro Milliarde

Für einen größeren Demonstrator fertigten die Wissenschaftler eine Photokathode mit 6,25 Quadratzentimetern aktiver Fläche. Dazu kam eine mit dem Eisen-Kobalt-Chrom-Katalysator beschichtete Nickelschaum-Elektrode.

Nach rund 30 Stunden war die Hydrazinkonzentration von ursprünglich 0,5 Mol pro Liter auf nur noch 0,5 Teile pro Milliarde gesunken. Der Ausgangswert entsprach etwa 1,6 Gewichtsprozent Hydrazin und lag damit sehr hoch.

Auch unter natürlichem Sonnenlicht arbeitete der Aufbau. Bei einem Außentest in Singapur an einem bewölkten Tag beobachtete das Team Gasblasen aus Wasserstoff und Stickstoff.

„Dieses Gerät mit Doppelfunktion stellt einen großen Schritt für Umwelttechnologien dar“, sagt Lydia H. Wong von der Nanyang Technological University. Der Ansatz verbindet damit zwei Prozesse, die normalerweise getrennt betrachtet werden: den Abbau eines giftigen Stoffes und die Herstellung eines Energieträgers.

Sobald Licht auf das künstliche Blatt fällt, entsteht Wasserstoff an beiden Elektroden – an Anode und Kathode. © NTU web via YouTube

Für große Anlagen fehlen noch entscheidende Schritte

Von einer industriellen Wasserstoffproduktion aus Meerwasser ist der Aufbau noch weit entfernt. Die aktive Fläche des größeren Demonstrators betrug nur wenige Quadratzentimeter, und die Stabilität wurde bislang über Tage statt über Monate oder Jahre untersucht.

Hinzu kommen die besonderen Versuchsbedingungen. Das System arbeitet in stark alkalischer Umgebung und benötigt Hydrazin. Reales Meer- oder Abwasser enthält dagegen viele weitere Stoffe, und auch der pH-Wert kann stark schwanken. Solche Bedingungen müssen künftige Systeme erst beherrschen.

Auch die verwendeten Materialien sind noch nicht ideal. Die Photokathode enthält bleihaltiges Perowskit, das sorgfältig gegen den Kontakt mit Wasser abgeschirmt werden muss. Auf der Kathodenseite kommt zudem Platin als Katalysator für die Wasserstoffbildung zum Einsatz.

Die Forscher wollen deshalb weitere Katalysatoren entwickeln und den Ansatz auf andere Schadstoffe übertragen. Gelingt das, könnten solche Systeme künftig Wasseraufbereitung und Energiegewinnung miteinander verbinden: Ein problematischer Stoff würde abgebaut, während gleichzeitig Wasserstoff entsteht. Bis dahin bleibt das künstliche Blatt ein kleiner Labordemonstrator mit einem ungewöhnlichen Prinzip.

Kurz zusammengefasst:

Das „künstliche Blatt“ nutzt Sonnenlicht, um aus alkalischem Meerwasser Wasserstoff zu erzeugen und gleichzeitig hochgiftiges Hydrazin abzubauen.
Der entscheidende Trick: Die Hydrazin-Reaktion braucht deutlich weniger Energie als die übliche Sauerstoffbildung bei der Elektrolyse und vermeidet weitgehend problematische Chlorverbindungen.
Noch ist das Verfahren Laborforschung: Es funktioniert nur unter speziellen Bedingungen mit Hydrazin und kleinen Versuchsflächen, könnte künftig aber Wasseraufbereitung und Wasserstoffproduktion miteinander verbinden.

Übrigens: Wasserstoff aus Meerwasser lässt sich auch ganz anders gewinnen – Forscher in Sydney setzen dafür auf Licht und flüssiges Gallium statt auf klassische Elektrolyse. Wie das Metall immer wiederverwendet werden kann und dabei Wasserstoff freisetzt, mehr dazu in unserem Artikel.