Neuartige Membran zur Reinigung von Wasserstoffkraftstoff ebnet den Weg in eine grünere Zukunft

Forscher entwickeln eine neuartige Membran, die effizient Wasserstoff aus einem Gasgemisch reinigt

10.03.2021 - Japan

Wasserstoff wird aus mehreren Gründen als "Kraftstoff der Zukunft" gepriesen. Erstens weist Wasserstoff im Vergleich zu den herkömmlich verwendeten Kohlenwasserstoffen eine höhere Energieausbeute auf. Zweitens würde die kommerzielle Nutzung von Wasserstoff als Kraftstoff, bei dem nur Wasser als Nebenprodukt anfällt, dazu beitragen, die drohende globale Erwärmungskrise zu entschärfen, indem der Einsatz von erschöpflichen und umweltschädlichen fossilen Brennstoffen reduziert wird. Daher konzentriert sich die laufende Forschung auf effiziente und umweltfreundliche Wege zur Herstellung von Wasserstoffkraftstoff.

Die solare Wasserstoffproduktion durch die photoelektrochemische (PEC) Wasserspaltungsreaktion ist eine attraktive "grüne" Methode der Wasserstoffbrennstoffproduktion aufgrund ihres Potenzials für hohe Umwandlungseffizienz, niedrige Betriebstemperaturen und Kosteneffizienz. Allerdings hat sich die effiziente Abtrennung von Wasserstoffgas aus einem Gasgemisch (Syngas" genannt) unter verschiedenen Umweltbedingungen als Herausforderung erwiesen. Eine kürzlich in der Zeitschrift Separation and Purification Technology veröffentlichte Arbeit versucht, diese Herausforderung zu meistern. In dieser Studie hat eine Gruppe von Forschern des Nagoya Institute of Technology, Japan, unter der Leitung von Professor Yuji Iwamoto in Zusammenarbeit mit Forschern in Frankreich erfolgreich eine neuartige Membran charakterisiert, die eine hochselektive Abtrennung von Wasserstoffgas ermöglicht, das bei der PEC-Reaktion entsteht. Prof. Iwamoto sagt: "Die Membrantrennung ist als kostengünstige Technologie zur Reinigung von Wasserstoffgas attraktiv. Allerdings stehen die aktuellen Techniken vor mehreren Herausforderungen, zum Beispiel wasserinduzierte Quellung bei Polymermembranen und geringere Wasserstoffpermeanz bei Metall-, Polymer- und geträgerten Flüssigkeitsmembranen. "

Die Forscher entwickelten zunächst eine organisch-anorganische Hybridpolymermembran, die hauptsächlich aus einem Polymer namens "Polycarbosilan" (PCS) besteht, das auf einem porösen Träger auf Aluminiumoxidbasis (Al2O3) gebildet wird. Prof. Iwamoto erklärt weiter: "Durch die Verwendung von PCS mit hohem Molekulargewicht und einem Schmelzpunkt über 200 °C konnten wir zeigen, dass eine superhydrophobe PCS-Membran auf einem mesoporösen, γ-Al2O3-modifizierten, makroporösen, rohrförmigen α-Al2O3-Träger abgeschieden werden kann. "

Nach erfolgreicher Entwicklung der PCS-Membran testeten die Forscher diese unter PEC-Reaktionsbedingungen. Wie vermutet, zeigte die PCS-Membran eine hohe Hydrophobizität. Darüber hinaus zeigte die PCS-Membran unter der Strömung eines simulierten hochfeuchten Gasgemisches bei 50°C eine ausgezeichnete Wasserstoffselektivität. Weitere Analysen zeigten, dass die bevorzugte Wasserstoffpermeation durch die PCS-Membran durch den Mechanismus der "Festkörperdiffusion" bestimmt wurde. Insgesamt zeigte die PCS-Membran, unabhängig von den gegebenen Umgebungsbedingungen, eine effiziente Wasserstoff-Gastrennung.

Mit der Entwicklung und Charakterisierung dieser neuen PCS-Membran ist es unvermeidlich, dass ihr kommerzieller Einsatz nicht nur die Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff für den Energiebedarf erleichtert, sondern auch die Verwendung von nicht erneuerbaren fossilen Brennstoffen einschränkt. Prof. Iwamoto schlussfolgert: "Mit dieser technologischen Entwicklung erwarten wir große Fortschritte bei der umweltfreundlichen und nachhaltigen Wasserstoffproduktion ."

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