Robert Klatt
Eine neue Methode gewinnt mit LED-Licht, Eisen und Kupfer Wasserstoff aus Ammoniak. Teure Materialien und starke Hitze sind im Gegensatz zur herkömmlichen Ammoniakspaltung nicht nötig.
Houston (U.S.A.). Wasserstoff kann mit von Strom aus regenerativen Energiequellen klimaneutral durch Elektrolyse von Wasser produziert werden. Um den Wasserstoff zu speichern und transportieren zu können, muss dieser jedoch stark heruntergekühlt und verflüssigt oder chemisch gebunden werden. Als besonders geeignet dazu gilt flüssiges Ammoniak (NH3), das nur auf minus 40 Grad Celsius gekühlt werden muss, um Wasserstoff zu binden.
Um das flüssige Ammoniak wieder in Wasserstoff und Stickstoff zu spalten, ist jedoch eine Temperatur von 400 bis 600 Grad Celsius erforderlich. Alternativ kann die Reaktionstemperatur auch mit Katalysatoren aus Platin, Ruthenium, Ruthenium oder Palladium gesenkt werden. Diese Rohstoffe sind aber selten und teuer.
Wissenschaftler der Rice University haben nun eine Alternative entwickelt, mit der Ammoniak durch plasmonische Photokatalysatoren gespalten werden kann. Diese Reaktionshelfer aus metallischen Nanopartikeln bündeln die Energie des einfallenden Lichtes und regen dadurch Elektronen des Materials stark an. Ein zweites Metall bildet in diesem Prozess einen kurzzeitigen Partner für Stickstoff und ermöglicht dadurch die Abspaltung des gebundenen Wasserstoffs.
Laut ihrer Publikation im Fachmagazin Science haben die Forscher um Yigao Yuan einen Photokatalysator mit Eisen als chemischen Spaltungshelfer und Kupfer als Lichtantenne erzeugt. Gemeinsam mit Ammoniak wurden die Partikel in einem Lichtreaktor mit Laserpulsen beschossen. Wie Hossein Robatjazi erklärt, löst dies eine Ammoniakspaltung aus.
„Unter Lichtzufuhr zeigte der Kupfer-Eisen-Katalysator eine Reaktivität und Effizienz, die mit der des gängigen Katalysators Kupfer-Ruthenium vergleichbar ist.“
Anschließend untersuchten die Forscher, ob die Aufspaltung auch im industriellen Maßstab ohne Laser funktioniert. Ihr Experiment führten sie in einem 500-mal größeren Lichtreaktor mit LEDs der Wellenlänge 470 Nanometer durch. Während des Betriebs wurde kontinuierlich Ammoniak durch zwei Reaktionsröhren am Photokatalysator vorbeigeführt. Auch in diesem Experiment kam es nur durch die Energie der LEDs bei Raumtemperatur zur Ammoniakspaltung.
„Der Kupfer-Eisen-Katalysator zeigt auch unter LED-Beleuchtung eine sehr hohe photokatalytische Reaktivität, mit einer 72-prozentigen Ammoniak-Umwandlung und einer Ausbeute von 14 Gramm Wasserstoff pro Tag.“
Es handelt sich dabei laut Naomi Halas um die erste Studie, in der Wasserstoff auf diese Art aus Ammoniak erzeugt wurde.
„Dies ist der erste Bericht in der Fachliteratur, der zeigt, dass sich Wasserstoffgas in Grammmengen auch durch eine Photokatalyse mit LEDs aus Ammoniak gewinnen lässt.“
Aktuell benötigt das Verfahren noch mehr Strom aus herkömmliche Ammoniak-Cracker. Die Forscher halten es aber für wahrscheinlich, dass durch eine Optimierung und Skalierung des Verfahrens der Energieaufwand sinken wird. Möglich sind laut ihnen nur wenige Kilowattstunden pro Kilogramm Wasserstoff.
Das Verfahren würde sich dadurch für eine günstige und dezentrale Ammoniakspaltung eignen. Laut Peter Nordlander könnte viele einfache Reaktoren statt zentraler Cracker-Anlagen Wasserstoff aus Ammoniak gewinnen.
„Unsere Entdeckung ebnet den Weg zu nachhaltigem, kostengünstigem Wasserstoff, der lokal statt in zentralisierten Anlagen produziert wird.“
Halas sieht in der Technik einen weiteren Schritt darin, Wasserstoff zu einem günstigen und sauberen Brennstoff mit hoher Verfügbarkeit zu machen.
„Wasserstoff kann nur dann zum sauberen Brennstoff werden, wenn er günstig, einfach zu speichern und wiederzugewinnen ist. Mit unserem Ansatz nähern wir uns diesem Ziel, indem wir Wasserstoff nach Bedarf und mithilfe von reichlich verfügbaren Materialien und Leuchtdioden aus einem Speichermedium wiedergewinnen können.“
Science, doi: 10.1126/science.abn5636
