Wasserstoff aus „faulen Eiern“

Forscher haben einen neuen Weg gefunden, um Wasserstoff aus dem nach faulen Eiern stinkenden Schwefelwasserstoff zu gewinnen. Kern-Akteur der Reaktion ist mit Molybdän dotiertes Eisenoxid, das als Katalysator dieser Entschwefelung wirkt. Der sogenannte „SULGEN“-Prozess habe eine 24 Prozent höhere Ausbeute als gängige Looping-Verfahren, berichten die Wissenschaftler. Das eröffne neue Möglichkeiten, Wasserstoff aus Biogas, Rauchgas oder Erdgas zu gewinnen.

Schwefelwasserstoff (H₂S) kommt in der Natur überall dort vor, wo Verwesung und Zersetzung und sauerstoffarmen Bedingungen vorkommt – im Faulschlamm, im Abwasserkanal und auch ei der Biogasproduktion. Das nach faulen Eiern stinkende und hochgiftige Gas fällt aber auch in der Öl- und Gasförderung und -verarbeitung an, in der Papierindustrie und anderen industriellen Prozessen.

Bisher wird der Schwefelwasserstoff erst von den restlichen Gasen abgetrennt und dann über den sogenannten Claus-Prozess in elementaren Schwefel umgewandelt. Dies geschieht durch Verbrennen mit Sauerstoff zu Schwefeldioxid, das dann mithilfe eines Katalysators unter Sauerstoffentzug weiter zu Schwefel und Wasser reagiert.

Eisenoxid als Hauptakteur

Doch aus dem stinkenden Schwefelwasserstoff lässt sich auch reiner Wasserstoff gewinnen -und damit ein wertvoller Energielieferant und Kraftstoff. Ein optimiertes Verfahren dafür haben nun Kalyani Jangam und sein Team von der Ohio State University entwickelt. „Die Zerlegung von H₂S in Schwefel und reinen Wasserstoff ist ein attraktiver Prozess, erfordert aber ein Konzept mit maximaler H₂-Ausbeute und minimalem Energieverbrauch“, erklären die Forscher.

Ausgangspunkt dafür war das sogenannte chemische Looping, ein Prozess, bei dem Metalloxide als Trägerstoffe und Katalysatoren eingesetzt werden, um beispielsweise CO2 bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe zu binden. Diesen wandelten die Forscher so ab, dass Eisenoxid den Schwefel in Form von Eisensulfid bindet. In einem zweiten Schritt wird der Schwefel durch eine zweite Reaktion abgetrennt und das Eisenoxid wiedergewonnen – ein zyklischer Prozess entsteht, bei dem Wasserstoff übrigbleibt.

Dotierung mit Molybdän erhöht die Ausbeute

„Die Aufspaltung des Schwefelwasserstoff-Abbaus in die zyklische Sulfidation und die Regeneration des schwefelbindenden Eisenoxids überwindet thermodynamische Begrenzungen und erlaubt die direkte Gewinnung von Wasserstoff“, erklärt das Team. Um die Ausbeute des „SULGEN“ getauften Prozesses zu erhöhen, dotierten die Forscher das Eisenoxid zusätzlich mit rund zwei Prozent Molybdän.

„Dadurch erzielten wir eine 24 Prozent höhere Schwefelaufnahme bei den dotierten Eisenoxid-Katalysatoren im Vergleich zu undotierten Schwefelträgern“, berichten Jangam und seine Kollegen. Diese Steigerung der Effizienz sei wichtig, um den Prozess der Wasserstoffgewinnung aus Schwefelgas auch im industriellen Maßstab anwendbar und lohnend zu machen.

Chance für die Wasserstoff-Produktion

„Noch ist es zu früh, um sagen zu können, ob unsere Forschung eine der bisher gängigen Methoden zur Wasserstoffgewinnung ersetzen kann“, sagt Jangam. „Aber wir arbeiten weiter daran, diesen Zerlegungsprozess zu optimieren und so ein wertvolles Produkt aus dem Giftgas zu gewinnen.“ Zumindest im Labor hat sich ihr Verfahren bereits bewährt, als nächstes sind nun Tests im großtechnischen Maßstab geplant. (ACS Sustainable Chemical Engineering, 2021; doi: 10.1021/acssuschemeng.1c03410)

Quelle: Ohio State University