Chemiker recyceln Krabbenabfälle als Katalysator für die Wasserstofferzeugung
Durchbruch gelang bei einem sogenannten Freitagnachmittagsexperiment
Seit 2020 arbeitet die Gruppe Heterogene Katalyse & Nachhaltige Chemie am Van-'t-Hoff-Institut für Molekularwissenschaften der UvA daran, Alkalimetallborhydridsalze als zukünftige Wasserstoffträger zu nutzen. Diese festen Salze können unter Umgebungsbedingungen sicher an der Luft gelagert werden und geben nur bei der Reaktion mit Wasser Wasserstoffgas ab. Die Kontrolle der Wasserstofffreisetzung und damit die Vermeidung von Durchbruchsreaktionen ist jedoch eine Herausforderung. Eine Lösung besteht darin, die Lösung mit einer Base zu stabilisieren und die Wasserstofffreisetzung mit Hilfe eines Katalysators zu kontrollieren. Das UvA-Team unter der Leitung von Prof. Gadi Rothenberg entwickelt solche Katalysatoren in Zusammenarbeit mit dem österreichischen Kompetenzzentrum für Tribologie (AC2T) und dem Unternehmen Electriq Global.
Wasserstoff zerstört Katalysatorteilchen
Potenzielle Katalysatoren zu finden ist einfach, sie aber so lange zu betreiben, dass sie kommerziell nutzbar sind, ist es nicht. Die Kombination aus hohem Reaktions-pH-Wert und einer kontinuierlichen Freisetzung von Wasserstoffblasen zerstört herkömmliche Katalysatoren innerhalb weniger Tage. So gelang es dem Team, hochaktive und selektive kobalthaltige Katalysatorpartikel zu entwickeln. Die hohe Aktivität führt jedoch zu großen Mengen an Wasserstoff, die die Partikel schnell zerstören.
Der Durchbruch gelang bei einem so genannten Freitagnachmittagsexperiment, bei dem der MSc-Student Jeffrey Jonk und die Doktorandin Fran Pope versuchten, Kobaltpartikel in Chitosankugeln einzukapseln. Chitosan ist ein natürliches Polymer, das aus Chitin, dem Hauptbestandteil von Insektenpanzern und Krustentierschalen, hergestellt werden kann. Es handelt sich um ein biologisch abbaubares, biokompatibles Material, das in großem Umfang im Tonnenmaßstab erhältlich ist und hauptsächlich aus Garnelen- und Krabbenschalenabfällen hergestellt wird.
Durch die wiederkehrenden Aminogruppen im Chitosan-Grundgerüst ist es in wässrigen sauren Lösungen gut löslich, in basischen Lösungen jedoch nur schwer. Chitosankugeln lassen sich daher relativ einfach herstellen, indem man das flüssige Chitosan in eine basische Lösung tropft. Eine entscheidende Eigenschaft der Chitosan-Kügelchen ist ihre Flexibilität, die es ihnen ermöglicht, sich bei der Erzeugung von Wasserstoff auszudehnen. So können sie die Wasserstoffblasen "ausatmen", ohne zu zerbrechen. Und da sie bei hohem pH-Wert hergestellt werden, stellt die Basizität der Borhydridlösung kein Problem dar.
Praktisches Potenzial für Katalysatoren auf Chitosanbasis
Das Team testete die neuen Katalysatoren im Batch- und im kontinuierlichen Modus und überwachte die Reaktionen durch Messung des erzeugten Wasserstoffflusses. Einige wenige mm große Kugeln, die mit 7% Kobalt beladen waren, reichten aus, um in einem kontinuierlichen Reaktor zwei Tage lang 40 ml Wasserstoff pro Minute zu erzeugen, was das reale Potenzial dieses neuen Katalysators zeigt.
Laut Rothenberg unterstreicht die Arbeit die Bedeutung der Katalysatorstabilität als Forschungsschwerpunkt. "Viele Arbeiten konzentrieren sich auf Aktivität und Selektivität, weil sich die Fachzeitschriften auf die Veröffentlichung spektakulärer Ergebnisse konzentriert haben", sagt er. "Wenn man sich jedoch die chemische Industrie ansieht, wird keiner dieser "spektakulären" Katalysatoren in der Praxis verwendet. Der Grund dafür ist, dass eine erfolgreiche Reaktion, die ein paar Stunden oder sogar ein paar Tage läuft, für groß angelegte Prozesse nichts bedeutet. Ein echter Katalysator muss über Monate und Jahre hinweg funktionieren, um wirtschaftlich rentabel zu sein. So weit sind wir noch nicht."
Wasserstoff mag der Energieträger der Zukunft sein, aber er bringt eine Reihe von Herausforderungen mit sich. Wenn er als komprimiertes Gas oder in flüssiger Form gespeichert wird, ist molekularer Wasserstoff, H2, sehr energieintensiv. Dies ist bei einigen Anwendungen ein Vorteil, bei anderen jedoch ein Sicherheitsproblem. Für die mittelfristige Speicherung und Freisetzung in mobilen Anlagen wie Kränen, Schiffen und Generatoren sind andere Formen der Wasserstoffspeicherung vorzuziehen. Es gibt viele Formen von Wasserstoffträgern. Beispiele für eine hohe Wasserstoffspeicherkapazität sind Ammoniak, Methanol, Ameisensäure und andere. Jeder hat seine Vor- und Nachteile. Methanol hat eine hohe Kapazität (12,5 Gew.-%), aber die Dehydrierung erfordert hohe Temperaturen und kann auch CO2 freisetzen. Ammoniak kann die erzeugten H2-Ströme verunreinigen und ist unter Umgebungsbedingungen selbst ein giftiges Gas. Als Alternative können Alkaliborhydride eine sichere Quelle für Wasserstoff darstellen, indem sie ihn chemisch als festes Salz binden. Durch eine Reaktion mit Wasser wird der Wasserstoff freigesetzt, und das entstehende Metaboratsalz-Nebenprodukt kann wiederaufbereitet und für die Wasserstoffspeicherung verwendet werden.
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