Vom Müll zum Schatz: Forscher verwandeln Metallabfälle in Katalysatoren für Wasserstoff
Wissenschaftler haben einen Weg gefunden, Metallabfälle in einen hocheffizienten Katalysator zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser umzuwandeln - eine Entdeckung, die die Wasserstoffproduktion nachhaltiger machen könnte.
Metallspäne, die in einem Experiment zu einem hocheffizienten Katalysator für die Herstellung von Wasserstoff aus Wasser umgewandelt werden, eine Entdeckung, die die Wasserstoffproduktion nachhaltiger machen könnte.
University of Nottingham
Ein Forscherteam der School of Chemistry und der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universität Nottingham hat herausgefunden, dass die Oberfläche von Spänen, einem Nebenprodukt der metallverarbeitenden Industrie, mit winzigen Stufen und Rillen im Nanomaßstab strukturiert ist. Diese Strukturen können Platin- oder Kobaltatome verankern, was zu einem effizienten Elektrokatalysator führt, der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten kann. Die Forschungsergebnisse wurden im Journal of Material Chemistry A der Royal Society of Chemistry veröffentlicht.
Wasserstoff ist ein sauberer Brennstoff, der zur Wärmeerzeugung oder zum Antrieb von Fahrzeugen verwendet werden kann und bei dessen Verbrennung als einziges Nebenprodukt Wasserdampf entsteht. Die meisten Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff sind jedoch auf fossile Brennstoffe angewiesen. Die Elektrolyse von Wasser ist einer der vielversprechendsten umweltfreundlichen Wege zur Wasserstofferzeugung, da sie nur Wasser und Strom benötigt.
Die Industrie steht bei der Wasserelektrolyse vor einer Herausforderung, da dieses Verfahren seltene und teure Elemente wie Platin zur Katalyse der Wasserspaltung benötigt. Angesichts des begrenzten weltweiten Angebots und der steigenden Preise für Edelmetalle besteht ein dringender Bedarf an alternativen Elektrokatalysatormaterialien zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser.
Dr. Jesum Alves Fernandes von der School of Chemistry der Universität Nottingham, der das Forschungsteam leitete, sagte: "Allein die Industrie im Vereinigten Königreich erzeugt jährlich Millionen von Tonnen Metallabfälle. Mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops konnten wir die scheinbar glatten Oberflächen der Späne aus Edelstahl, Titan oder Nickellegierungen untersuchen. Zu unserem Erstaunen entdeckten wir, dass die Oberflächen Rillen und Grate aufwiesen, die nur einige zehn Nanometer breit waren. Uns wurde klar, dass diese nanotexturierte Oberfläche eine einzigartige Möglichkeit für die Herstellung von Elektrokatalysatoren darstellen könnte."
Die Forscher setzten Magnetronsputtern ein, um einen "Regen" von Platinatomen auf der Oberfläche der Späne zu erzeugen. Diese Platinatome fügen sich dann zu Nanopartikeln zusammen, die sich eng in die nanoskaligen Rillen einfügen.
Dr. Madasamy Thangamuthu, ein Postdoktorand an der Universität Nottingham, der für die Analyse der Struktur und der elektrokatalytischen Aktivität der neuen Materialien verantwortlich war, sagt: "Es ist bemerkenswert, dass wir in der Lage sind, Wasserstoff aus Wasser zu erzeugen, indem wir nur ein Zehntel der Menge an Platin im Vergleich zu den modernsten kommerziellen Katalysatoren verwenden. Indem wir nur 28 Mikrogramm des Edelmetalls auf 1 cm² der Späne verteilten, konnten wir einen Elektrolyseur im Labormaßstab entwickeln, der mit 100 % Effizienz arbeitet und 0,5 Liter Wasserstoffgas pro Minute aus einem einzigen Stück Späne erzeugt."
Die Gruppe arbeitet mit AqSorption Ltd. zusammen, einem in Nottingham ansässigen Unternehmen, das sich auf die Entwicklung und Herstellung von Elektrolyseuren spezialisiert hat, um ihre Technologie zu erweitern. Professor Andrei Khlobystov, Fakultät für Chemie, Universität Nottingham, sagte: "Die aus Spänen hergestellten Elektrokatalysatoren haben das Potenzial, die Wirtschaft erheblich zu beeinflussen. Unsere in Nottingham entwickelte einzigartige Technologie, bei der Platinpartikel Atom für Atom auf nanotexturierten Oberflächen wachsen, hat zwei große Herausforderungen gelöst. Erstens ermöglicht sie die Herstellung von grünem Wasserstoff unter Verwendung der geringstmöglichen Menge an Edelmetall und zweitens recycelt sie Metallabfälle aus der Luft- und Raumfahrtindustrie - und das alles in einem einzigen Prozess."
Der Zero Carbon Cluster wurde in den East Midlands eingerichtet, um die Entwicklung und den Einsatz von Innovationen in umweltfreundlichen Industrien und fortschrittlicher Fertigung zu beschleunigen.
Professor Tom Rodden, PVC für Forschung und Wissensaustausch an der Universität Nottingham, sagt: "Die Entwicklung von Wasserstoffantriebssystemen kann ein wichtiger Schritt sein, um einige der weltweit drängendsten Herausforderungen in Bezug auf die Kohlenstofffreiheit zu bewältigen, insbesondere für die Verkehrs- und Fertigungsindustrie. Der Erfolg dieser Strategie hängt jedoch von der nachhaltigen Erzeugung von grünem Wasserstoff ab, etwa durch Wasserspaltung mittels Elektrolyse, und dies wiederum erfordert Fortschritte bei der Materialentwicklung."
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Originalveröffentlichung
Madasamy Thangamuthu, Emerson C. Kohlrausch, Ming Li, Alistair Speidel, Adam T. Clare, Richard Plummer, Paul Geary, James W. Murray, Andrei N. Khlobystov, Jesum Alves Fernandes; "From scrap metal to highly efficient electrodes: harnessing the nanotextured surface of swarf for effective utilisation of Pt and Co for hydrogen production"; Journal of Materials Chemistry A, 2024
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