Klingt fast zu schön, um wahr zu sein: US-Forscher haben eine simple, billige Methode entdeckt, um Wasserstoff aus Wasser zu gewinnen. Schon eine einfache 1,5 Volt-Batterie reicht demnach, um die Wasserspaltung in Gang zu bringen. Möglich macht dies eine neuartige, nanostrukturierte Nickel-Elektrode. Das Verfahren könnte künftig Treibstoff für Brennstoffzellen liefern, ohne dass wie bisher wertvolle Edelmetalle und Methangas eingesetzt werden müssen, so die Forscher im Fachmagazin „Nature Communications“.
Wenn es um Autoantriebe geht, wären Brennstoffzellen eine klimafreundliche Alternative zu fossilen Brennstoffen – eigentlich. Denn sie erzeugen Energie, indem sie Wasserstoff und Sauerstoff wieder zu Wasser kombinieren, Treibhausgas wird dabei nicht frei. Doch das hat bisher einen Haken: Wasserstoff, der eigentliche Energieträger der Brennstoffzelle, kommt in der Natur nicht frei vor, er muss erst unter Energieaufwand erzeugt werden.
Bisher geschieht dies meist aus Kohlenwasserstoffen wie Methangas, aber auch durch Spaltung des Wassers – diese Elektrolyse aber verbraucht bisher große Mengen Strom. Stammt dieser aus nicht aus erneuerbaren Energien, schadet das Ganze dem Klima mehr als dass es nützt. Zudem werden für die Wasserspaltung Elektroden aus wertvollen Edelmetallen benötigt, die die Kosten weiter in die Höhe trieben.
1,5 Volt-Batterie erzeugt Wasserstoff
Doch genau dafür könnten Hongjie Dai und seine Kollegen von der Stanford University nun eine Lösung gefunden haben. Sie experimentierten mit verschiedenen nanostrukturierten Nickelverbindungen, als sie auf eine Kombination stießen, die sich auch als Elektrode bei der Wasserspaltung eignete. „Als wir herausfanden, dass ein nickelbasierter Katalyst genauso effektiv ist wie Platin, war das eine absolute Überraschung“, sagt Dai.
Wie sich zeigte, ist die von den Forschern entwickelte Nickel-Nickeloxid-Struktur sehr viel aktiver als reines Nickel oder reines Nickeloxid. Schon eine 1,5 Volt Batterie reichte im Experiment aus, um mit dieser Elektrode und einer Eisenelektrode die Wasserspaltung in Gang zu bringen und Wasserstoff zu erzeugen. Und das Ganze funktioniert auch noch bei Raumtemperatur, wie die Wissenschaftler erklären.
Das Geheimnis liegt in der Nanostruktur
„Das ist das erste Mal, dass jemand Nicht-Edelmetalle als Katalysatoren für die Wasserspaltung bei so niedriger Spannung eingesetzt hat“, sagt Dai. „Das zeigt, dass die Nanostrukturierung von Materialien große Vorteile bei der Herstellung von Treibstoffen und im Energieverbrauch bringen kann.“ Warum und wie allerdings ihr neues Material funktioniert und warum es so wenig Energie für die Wasserspaltung benötigt, wissen selbst die Forscher noch nicht genau.
Die Wissenschaftler sind sich jedoch sicher, dass ihre Methode Milliarden von US-Dollar bei der Wasserstoffproduktion einsparen könnte – und einiges an Treibhausgasen. Sie arbeiten nun daran, ihre Elektrode länger haltbar zu machen. Denn sie ist zwar prinzipiell stabil, zersetzt sich aber im Lauf der Zeit. „Das aktuelle Modell kann mehrere Tage lang laufen, aber Wochen oder Monate wären natürlich besser“, so Dai. Dieses Ziel ließe sich aber durch weitere Optimierung der Struktur erreichen. (Nature Communications, 2014; doi: 10.1038/ncomms5695)
(Stanford University, 25.08.2014 – NPO)
