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Wissenschaftler der University of Texas schlagen ein neues Material als Katalysator zur Spaltung von Wassermolekülen vor.
Ein Kaktus als Vorbild
Die Haltbarkeit und einzigartige Struktur des Feigenkaktus in Wüstenumgebungen, der Feuchtigkeit über seine umfangreiche Oberfläche aufnimmt und Früchte an den Rändern seiner Blätter trägt, inspirierten diese Studie, eine ähnliche 3D-Architektur zu übernehmen. Nickel könnte ein viel kostengünstigerer Katalysator als Platin sein, jedoch ist es nicht so schnell und effektiv bei der Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff.
Ein günstiger Katalysator
Ingenieure an der University of Texas in El Paso haben ein kostengünstiges, nickelbasiertes Material als Katalysator vorgeschlagen, um Wasser billiger und effizienter aufzuspalten. Ihr Vorbild? Eine Wüstenpflanze namens Feigenkaktus. Die Haltbarkeit und einzigartige Struktur des Feigenkaktus in Wüstenumgebungen, der Feuchtigkeit über seine umfangreiche Oberfläche aufnimmt und Früchte an den Rändern seiner Blätter trägt, inspirierten diese Studie, eine ähnliche 3D-Architektur zu übernehmen. Bildnachweis: University of Texas in El Paso. Klicken Sie auf den Link zur Studie für weitere Informationen.
Die Wasserstoff-Herausforderung
Vor über 100 Jahren entdeckten Wissenschaftler, wie man Wasser in Wasserstoffgas umwandeln kann – eine äußerst begehrte grüne Energie, die als „Brennstoff der Zukunft“ bezeichnet wurde. Trotz dieses Durchbruchs hat sich Wasserstoff nicht als dominante Energiequelle durchgesetzt. Die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff kann ineffizient und kostspielig sein, und der Transformationsprozess, Elektrolyse genannt, ist noch nicht perfektioniert.
„Dies ist ein naturinspiriertes Design im Labor“, sagte Ramana Chintalapalle, Ph.D., Professor für Maschinenbau an der UTEP, der die Studie leitete. „Man hat hier eine Pflanze mit einer umfangreichen Oberfläche, die Feuchtigkeit aufnehmen und in extremen Umgebungen überleben kann. Da dachten wir uns: ‚Wie können wir das in unsere Forschung integrieren?'“
Das Wasserstoff-Problem
Die Elektrolyse ist der Prozess der Wasserspaltung mit Hilfe von Strom und einem Elektrokatalysator – einem Material, das jede chemische Reaktion beschleunigt. Aktuelle Techniken zur Wasserspaltung stützen sich stark auf Platin als Katalysator, was jedoch seine Nachteile hat.
„Platin ist das dominante Material zur Wasserspaltung, aber es ist sehr teuer – teurer als Gold – und es ist einfach nicht praktikabel, es in großem Maßstab aufgrund seines Preises einzusetzen“, erklärte Chintalapalle. „Wir benötigen einen wirtschaftlich tragbaren Katalysator, damit jedes Land Wasserstoff vernünftig nutzen kann.“
Eine stachelige Lösung
Navid Attarzadeh fiel der Feigenkaktus zum ersten Mal auf, als er zum Labor für fortschrittliche Materialforschung der UTEP ging. Das Team hatte Nickel als katalytischen Ersatz für Platin untersucht, ein Metall, das auf der Erde reichlich vorhanden ist und 1.000 Mal günstiger als Platin ist.
Nickel ist jedoch nicht so schnell und effektiv bei der Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff.
Attarzadeh sagte: „Jeden Tag bin ich an dieser Pflanze vorbeigegangen. Und ich begann, sie mit unserem Katalysatorproblem in Verbindung zu bringen. Was meine Aufmerksamkeit erregte, war die Größe der Blätter und Früchte im Vergleich zu anderen Wüstenpflanzen; der Feigenkaktus hat eine außergewöhnlich große Oberfläche.“
Dann hatte Attarzadeh eine Idee. Was wäre, wenn sie einen 3D-nickelbasierten Katalysator in Form eines Feigenkaktus entwerfen würden? Die größere Oberfläche könnte mehr elektrochemische Reaktionen ermöglichen – mehr Wasserstoff als Nickel üblicherweise erzeugen könnte.
Das Team entwarf schnell die nanoskalige Struktur – für das menschliche Auge unsichtbar – und testete sie.
„Wir haben die Fähigkeit des Katalysators zur wiederholten Wasserspaltung getestet und gute Ergebnisse erzielt“, sagte Chintalapalle. Er fügte hinzu, dass dies eine grundlegende Entdeckung sei und der Prozess weiter verfeinert werden müsse, aber es sei ein Schritt in die richtige Richtung.
„Wasserstoffgas kann die Energietechnologie für unser Land transformieren – ohne Treibhausgasemissionen zu erzeugen“, sagte Chintalapalle. „Unser CO2-Fußabdruck könnte eliminiert werden; wir müssen weiterhin diesem Ziel nachstreben.“
Das klingt großartig und wahrscheinlich ist es das auch. Aber es bleibt die rohe Effizienz des für die Elektrolyse benötigten Stroms. Hier gibt es keinen großen Gewinn – es ist eher ein Ausgleich. Dann ist da noch das Thema der Speicherung. Wasserstoff und Diwasserstoff sind das kleinste Atom und Molekül und entweichen praktisch durch alles.
Fragen Sie einen Metallurgen oder überprüfen Sie es einfach selbst. Der Effekt von Wasserstoff auf Stahl ist überhaupt nicht gut. Die Natur hat auf der Erde Wasserstoff sehr gut in Wasser eingeschlossen. Es gibt hier viel Treibstoff des Universums.
Wir sind noch weit davon entfernt, etwas destilliertes Wasser in das Auto zu tanken und loszufahren. Es gibt noch viel zu entdecken und zu lernen.
Eines Tages wird es gelöst werden.