Meerwasser ist eine der am häufigsten vorkommenden Ressourcen auf der Erde und verspricht sowohl als Wasserstoffquelle – wünschenswert als Quelle sauberer Energie – als auch als Trinkwasserquelle in trockenen Klimazonen. Doch auch wenn Technologien zur Wasserspaltung, die Wasserstoff aus Süßwasser erzeugen können, immer effektiver geworden sind, bleibt Meerwasser eine Herausforderung.

Forscher der University of Houston haben einen bedeutenden Durchbruch mit einem neuen Katalysator für die Sauerstoffentwicklungsreaktion gemeldet, der in Kombination mit einem Wasserstoffentwicklungsreaktionskatalysator Stromdichten erreichte, die den industriellen Bedarf decken, während zum Starten der Meerwasserelektrolyse eine relativ niedrige Spannung erforderlich war.

Forscher sagen, dass das Gerät, das aus kostengünstigen Nichtedelmetallnitriden besteht, viele der Hindernisse umgeht, die frühere Versuche, kostengünstig Wasserstoff oder sicheres Trinkwasser aus Meerwasser herzustellen, behinderten. Die Arbeit wird in Nature Communications beschrieben.

Zhifeng Ren, Direktor des Texas Center for Supraconductivity an der UH und korrespondierender Autor des Artikels, sagte, ein großes Hindernis sei das Fehlen eines Katalysators gewesen, der Meerwasser effektiv spalten kann, um Wasserstoff zu erzeugen, ohne dabei auch Natrium-, Chlor- und Kalziumionen freizusetzen und andere Bestandteile des Meerwassers, die sich nach ihrer Freisetzung auf dem Katalysator absetzen und ihn inaktiv machen können. Besonders problematisch sind Chlorionen, unter anderem weil Chlor zur Freisetzung nur eine geringfügig höhere Spannung benötigt als zur Freisetzung von Wasserstoff.

Die Forscher testeten die Katalysatoren mit Meerwasser aus der Galveston Bay vor der texanischen Küste. Ren, MD Anderson Chair Professor für Physik an der UH, sagte, es würde auch mit Abwasser funktionieren und eine weitere Wasserstoffquelle aus Wasser bereitstellen, das sonst ohne kostspielige Behandlung unbrauchbar wäre.

„Die meisten Menschen nutzen sauberes Süßwasser, um Wasserstoff durch Wasserspaltung herzustellen“, sagte er. „Aber die Verfügbarkeit von sauberem Süßwasser ist begrenzt.“

Um die Herausforderungen zu bewältigen, entwarfen und synthetisierten die Forscher einen dreidimensionalen Kern-Schale-Katalysator für die Sauerstoffentwicklungsreaktion unter Verwendung von Übergangsmetallnitrid, mit Nanopartikeln aus einer Nickel-Eisen-Nitrid-Verbindung und Nickel-Molybdän-Nitrid-Nanostäben auf porösem Nickelschaum.

Der Erstautor Luo Yu, ein Postdoktorand an der UH, der auch mit der Central China Normal University verbunden ist, sagte, der neue Katalysator für die Sauerstoffentwicklungsreaktion sei mit einem zuvor beschriebenen Wasserstoffentwicklungsreaktionskatalysator aus Nickel-Molybdän-Nitrid-Nanostäben gepaart worden.

Die Katalysatoren wurden in einen alkalischen Zwei-Elektroden-Elektrolyseur integriert, der mit Abwärme über ein thermoelektrisches Gerät oder durch eine AA-Batterie betrieben werden kann.

Die zur Erzeugung einer Stromdichte von 100 Milliampere pro Quadratzentimeter (ein Maß für die Stromdichte oder mA cm-2) erforderlichen Zellspannungen lagen zwischen 1,564 V und 1,581 V.

Die Spannung sei erheblich, sagte Yu, denn während zur Herstellung von Wasserstoff eine Spannung von mindestens 1,23 V erforderlich sei, werde Chlor bei einer Spannung von 1,73 V erzeugt, was bedeutet, dass das Gerät in der Lage sein müsse, mit einer Spannung sinnvolle Stromdichteniveaus zu erzeugen zwischen den beiden Ebenen.

Zu den Forschern des Artikels gehören neben Ren und Yu auch Qing Zhu, Shaowei Song, Brian McElhennyy, Dezhi Wang, Chunzheng Wu, Zhaojun Qin, Jiming Bao und Shuo Chen, alle aus UH; und Ying Yu von der Central China Normal University.

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