Einfache Aluminium-Nanopartikel für die schnelle, effiziente Wasserstofferzeugung aus Wasser
"Wir brauchen keine Energiezufuhr, und es sprudelt Wasserstoff wie verrückt. So etwas habe ich noch nie gesehen"
Aluminium ist ein hochreaktives Metall, das den Wassermolekülen Sauerstoff entziehen kann, um Wasserstoffgas zu erzeugen. Seine weitverbreitete Verwendung in Produkten, die nass werden, stellt keine Gefahr dar, da Aluminium sofort mit Luft reagiert und eine Aluminiumoxidschicht bildet, die weitere Reaktionen verhindert.
Bei der Reaktion von Wasser mit einem Aluminium-Gallium-Verbundstoff entstehen Wasserstoffgasblasen.
Amberchan et al., Applied Nano Materials 2022
Seit Jahren versuchen Forscher, effiziente und kostengünstige Wege zu finden, um die Reaktivität von Aluminium zur Erzeugung von sauberem Wasserstoff zu nutzen. Eine neue Studie von Forschern der UC Santa Cruz zeigt, dass ein leicht herstellbarer Verbundwerkstoff aus Gallium und Aluminium Aluminium-Nanopartikel erzeugt, die bei Raumtemperatur schnell mit Wasser reagieren und große Mengen an Wasserstoff liefern. Das Gallium konnte nach der Reaktion leicht zur Wiederverwendung zurückgewonnen werden, was 90 % des Wasserstoffs ergibt, der theoretisch durch die Reaktion des gesamten Aluminiums im Verbundstoff erzeugt werden könnte.
"Wir brauchen keine Energiezufuhr, und es sprudelt Wasserstoff wie verrückt. So etwas habe ich noch nie gesehen", sagte der Chemieprofessor Scott Oliver von der UCSC.
Oliver und Bakthan Singaram, Professor für Chemie und Biochemie, sind korrespondierende Autoren eines Artikels über die neuen Erkenntnisse, der am 14. Februar in Applied Nano Materials veröffentlicht wurde.
Die Reaktion von Aluminium und Gallium mit Wasser ist seit den 1970er Jahren bekannt, und Videos davon sind im Internet leicht zu finden. Sie funktioniert, weil Gallium, eine Flüssigkeit knapp über Raumtemperatur, die passive Aluminiumoxidschicht entfernt und so den direkten Kontakt von Aluminium mit Wasser ermöglicht. Die neue Studie enthält jedoch mehrere Innovationen und neue Erkenntnisse, die zu praktischen Anwendungen führen könnten.
Singaram sagte, die Studie sei aus einem Gespräch mit seinem Studenten Isai Lopez entstanden, der einige Videos gesehen hatte und in seiner Küche mit der Erzeugung von Aluminium-Gallium-Wasserstoff experimentierte.
"Er hat das nicht auf wissenschaftliche Weise gemacht, also habe ich ihn mit einem Doktoranden zusammengebracht, um eine systematische Studie durchzuführen. Ich dachte, es wäre eine gute Abschlussarbeit für ihn, den Wasserstoffausstoß bei verschiedenen Verhältnissen von Gallium und Aluminium zu messen", sagte Singaram.
Frühere Studien hatten meist aluminiumreiche Mischungen aus Aluminium und Gallium oder in einigen Fällen komplexere Legierungen verwendet. Singarams Labor fand jedoch heraus, dass die Wasserstoffproduktion mit einem galliumreichen Verbundstoff zunahm. Die Wasserstoffproduktion war sogar so unerwartet hoch, dass die Forscher davon ausgingen, dass diese galliumreiche Legierung etwas grundlegend anderes sein müsse.
Oliver schlug vor, dass die Bildung von Aluminium-Nanopartikeln für die erhöhte Wasserstoffproduktion verantwortlich sein könnte, und sein Labor verfügte über die erforderliche Ausrüstung für die Charakterisierung der Legierung im Nanomaßstab. Mithilfe von Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenbeugung konnten die Forscher die Bildung von Aluminium-Nanopartikeln in einem Gallium-Aluminium-Verbundwerkstoff im Verhältnis 3:1 nachweisen, was sich als optimales Verhältnis für die Wasserstoffproduktion erwies.
In diesem galliumreichen Komposit dient das Gallium sowohl zur Auflösung der Aluminiumoxidschicht als auch zur Trennung des Aluminiums in Nanopartikel. "Das Gallium trennt die Nanopartikel und verhindert, dass sie zu größeren Partikeln zusammenwachsen", so Singaram. "Die Herstellung von Aluminium-Nanopartikeln war bisher sehr schwierig, und hier stellen wir sie unter normalem Atmosphärendruck und bei Raumtemperatur her."
Die Herstellung des Komposits erforderte nichts weiter als ein einfaches manuelles Mischen.
"Unsere Methode verwendet eine kleine Menge Aluminium, die sicherstellt, dass sich alles in der Galliummehrheit als diskrete Nanopartikel auflöst", sagte Oliver. "Dadurch wird eine viel größere Menge an Wasserstoff erzeugt, die im Vergleich zum theoretischen Wert auf der Grundlage der Aluminiummenge fast vollständig ist. Außerdem wird die Rückgewinnung von Gallium für die Wiederverwendung erleichtert."
Der Verbundstoff kann aus leicht verfügbaren Aluminiumquellen hergestellt werden, einschließlich gebrauchter Folien oder Dosen, und er kann über lange Zeiträume gelagert werden, indem er mit Cyclohexan abgedeckt wird, um ihn vor Feuchtigkeit zu schützen.
Obwohl Gallium nicht im Überfluss vorhanden und relativ teuer ist, kann es wiedergewonnen und mehrfach wiederverwendet werden, ohne an Wirksamkeit zu verlieren, so Singaram. Es bleibt jedoch abzuwarten, ob sich dieses Verfahren für die kommerzielle Wasserstofferzeugung in größerem Maßstab einsetzen lässt.
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