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Methanol, Wasser und ein Kupfer-Zink-Katalysator: Mit diesen einfachen Zutaten könnte kostengünstig kohlenmonoxidfreier Wasserstoff gewonnen und damit Brennstoffzellen betrieben werden. Mit der Identifizierung jener Kupfer-Zink-Phase, mit der besonders sauberer Wasserstoff entsteht, nahmen Forscher vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck eine wichtige Hürde auf dem Weg zur zukunftsweisenden Energienutzung. Kürzlich berichteten sie darüber im Fachjournal Angewandte Chemie.

Wasserstoff (H2) als Bestandteil des Wassers und häufigstes Element im Universum würde sich als nahezu unerschöpflicher Energieträger anbieten. Das farb- und geruchlose Gas ist allerdings auch hochentzündlich und bildet unter anderem bei Kontakt mit Sauerstoff ein hochexplosives Gemisch. Um Probleme und Risiken bei Lagerung und Transport zu umgehen, müssen effiziente und nachhaltige Wege gefunden werden, chemisch gebundenen Wasserstoff in der jeweiligen Anwendung verfügbar zu machen. Als vielversprechender Wasserstofflieferant für mobile Anwendungen hat sich in den letzten Jahren Methanol (CH3OH) herauskristallisiert: Aus diesem einfachen Alkohol kann in einem Katalysator durch die sogenannte Methanoldampfreformierung einfach und rasch Wasserstoff erzeugt werden. Der Optimierung dieses Verfahrens, in dem Methanol mit Wasser reagiert, widmet sich im Rahmen eines FWF-Projekts seit 2008 die Arbeitsgruppe rund um Bernhard Klötzer am Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck. „Bei der Gewinnung von Wasserstoff aus Methanol wollen wir möglichst viel H2 hoher Reinheit bekommen, müssen dabei aber die Produktion von Kohlenmonoxid vermeiden, da dieses die Elektroden der Brennstoffzellen blockiert, was in der Praxis nicht passieren darf“, schildert Bernhard Klötzer die große Herausforderung, die sich stellt wenn das Reformier-Verfahren in Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen eingesetzt werden soll. Diese Brennstoffzellen können in mobilen Anwendungen wie etwa in Kraftfahrzeugen, U-Booten, Raumschiffen oder Akkuladegeräten für unterwegs zur Anwendung kommen.

Praxistauglichkeit als Herausforderung

Die idealen Voraussetzungen für die Wasserstoffgewinnung an einem Palladium-Zink-Katalysator konnten die Forscher bereits vor zwei Jahren zeigen. Jetzt haben sie die Reaktion an einem – wesentlich kostengünstigeren – Kupfer-Zink-Katalysator untersucht. „Es gibt viele Systeme, die zur Diskussion stehen. Aus der Sicht der Grundlagenforschung ist der Palladium-Zink-Katalysator aufgrund seiner thermischen Stabilität besonders geeignet, aber andererseits sehr teuer. Wenn es um die reale Anwendung geht, kommen nicht nur technische, sondern auch Kostenfragen ins Spiel“, verdeutlicht Klötzer. Aus diesem Grund gilt sein Interesse aktuell der Methanoldampfreformierung in den kostengünstigeren Kupfer-Zink-Katalysatoren. Diese sind eigentlich für die Umkehrreaktion, also die Methanolsynthese, konzipiert und kommen in der Industrie bereits zum Einsatz. „Was in die eine Richtung gut funktioniert, funktioniert im Prinzip auch in die Gegenrichtung, allerdings erfordert die Reformieranwendung wesentlich höhere Temperaturen und einen erhöhten Wasserdampfdruck. Der industrielle Methanolsynthese-Katalysator ist daher in der Reformieranwendung nicht stabil“, erläutert der Forscher. Mit seiner Arbeitsgruppe klärt er die Grundlagen und Voraussetzungen, unter denen die Reformierung stabil und selektiv funktioniert.

Zinkgehalt entscheidend für Wasserstoffgewinnung

Geforscht wird zu diesem Zweck an einem Modellkatalysator, der aus einer hochreinen Kupferfolie besteht, auf die wenige Atomlagen Zink aufgedampft werden. Das Wichtige ist dabei, dass die exakt richtige Menge Zink verwendet wird. „Wenn zu viel Zink verwendet wird, bildet sich eine flächendeckende Schicht aus Zinkoxid, die inaktiv ist“, erklärt Klötzer. Am Modellkatalysator war es den Forschern in Zusammenarbeit mit dem Fritz-Haber-Institut in Berlin möglich, am Synchrotron BESSY II spektroskopische Analysen der Oberfläche unter Reformierbedingungen durchzuführen – ein entscheidender Vorteil zu realen, technischen Katalysatoren. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler den Oxidationszustand und Verteilung des Zinks „life“ beobachten. „Unter Reaktionsbedingungen hat sich gezeigt, dass sich auf einem Teil der Katalysatoroberfläche Zinkoxid-Inselchen gebildet haben, daneben jedoch immer noch eine Kupfer-Zink-Bimetall-Oberfläche existierte. Genau in diesem Moment der Koexistenz steigt die Aktivität des Katalysators um den Faktor 1000, die Wasserstoffproduktion ist, aufgrund der Fähigkeit der Metall-Oxid-Grenzfläche, Wasser zu spalten, genau in dieser Phase besonders effizient“, hebt er ein zentrales Ergebnis der Forschungsarbeit hervor, die für das Verständnis der Methanoldampfreformierung einen entscheidenden theoretischen, aber auch praktischen Schritt bedeutet. „Die Wasserspaltung ist generell für viele künftige Anwendungen in der Energietechnik ein wichtiges Thema“, ist Klötzer überzeugt.

Quelle: Universität Innsbruck

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