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Elektrolysezelle erzeugt grünen Wasserstoff und wertvollen Chemierohstoff
Doppelter Nutzen bei der Elektrolyse: Forscher haben ein Verfahren entwickelt, das neben Wasserstoff einen wertvollen Grundstoff für die chemische Industrie liefert, statt wie üblich Sauerstoff freizusetzen. In Laborversuchen erreichten beide Teilreaktionen unter bestimmten Bedingungen eine Faraday-Effizienz von bis zu 98 Prozent. Noch ist die Technik allerdings nicht im industriellen Maßstab erprobt.
Haifa (Israel). Bei der Herstellung von grünem Wasserstoff gibt es ein Kostenproblem: Das Verfahren benötigt viel erneuerbaren Strom und ist meist teurer als die Wasserstoffgewinnung aus fossilen Rohstoffen. Darum suchen Forscher nach Wegen, die hohen Herstellungskosten von grünem Wasserstoff zu senken. Ein Ansatz besteht darin, die Elektrolyse nicht nur für die Gewinnung des energiereichen Gases zu nutzen.
Bei der herkömmlichen Wasserspaltung entsteht am negativen Pol Wasserstoff und am positiven Pol Sauerstoff, der wirtschaftlich meist wenig einbringt. Zudem trennen viele Elektrolyseure beide Elektroden durch eine Membran, damit sich die Gase nicht vermischen. Sie erhöht jedoch den technischen Aufwand.
Forscher des Technion – Israel Institute of Technology um Prof. Avner Rothschild haben nun untersucht, ob sich die Sauerstoffbildung durch eine nutzbringende chemische Reaktion ersetzen lässt. Ihr Laboraufbau stellt gleichzeitig Wasserstoff und ein Epoxid her, eine Stoffgruppe, die unter anderem für Kunststoffe, Beschichtungen und Klebstoffe gebraucht wird.
„Wir sind diese Herausforderung angegangen, indem wir die Wasserspaltung neu gedacht haben“, erklärt Prof. Avner Rothschild.
Als Ausgangsstoff für die chemische Reaktion wählte das Team Styrol. Daraus soll Styroloxid entstehen, ein Epoxid mit einem dreigliedrigen Ring aus zwei Kohlenstoff- und einem Sauerstoffatom. Entscheidend ist dabei Bromid: Die negativ geladenen Ionen werden an der positiven Elektrode zunächst zu Brom oxidiert, das mit dem organischen Ausgangsstoff weiterreagiert. Dabei entsteht das Epoxid und Bromid wird zurückgebildet.
An der negativen Elektrode wird unterdessen Wasserstoff frei. Das Team kombinierte dafür eine platinhaltige Kathode mit einer für die Brombildung geeigneten Anode. Die Elektrolyseflüssigkeit bestand aus Wasser, dem organischen Lösungsmittel Acetonitril und gelöstem Natriumbromid. Das flüssige Brom blieb überwiegend in der Lösung, sodass die Reaktionen in einer Zelle ohne Trennmembran ablaufen konnten.
Die Ergebnisse zeigen, dass die elektrische Ladung unter günstigen Bedingungen fast vollständig in die gewünschten Reaktionen floss: Für die Wasserstoffbildung erreichte die Faraday-Effizienz bis zu 98 Prozent, für die Herstellung von Styroloxid ebenfalls bis zu 98 Prozent. Die Spitzenwerte stammen aus unterschiedlichen Betriebsversuchen. Die Ausbeute des Epoxids lag je nach Einstellung bei rund 81 bis 89 Prozent der theoretisch aus dem eingesetzten Styrol erhältlichen Menge.
Auch bei hohen Stromdichten von bis zu 500 Milliampere pro Quadratzentimeter funktionierte die Kopplung. In einem zehnstündigen Dauertest blieb die Wasserstoffbildung stabil, und das Team fand nach dem Versuch keine erkennbaren Veränderungen an der untersuchten Anode. Das ist ein wichtiger Belastungstest, aber noch kein Nachweis für den jahrelangen Einsatz einer industriellen Anlage.
„Unser Ziel war es, den Sauerstoff, der normalerweise zusammen mit Wasserstoff entsteht, durch ein viel wertvolleres Produkt zu ersetzen: ein Epoxid. Epoxide sind wichtige Bausteine für Polymere, Beschichtungen, Klebstoffe, Arzneimittel und viele weitere Produkte. In den in unserer Studie vorgestellten Versuchen weisen wir eine Effizienz von 98 Prozent sowohl bei der Wasserstofferzeugung als auch bei der parallelen Reaktion zur Herstellung des Epoxids nach. Mit anderen Worten: Fast die gesamte elektrische Ladung trieb die gewünschten elektrochemischen Reaktionen an, nur zwei Prozent gingen durch konkurrierende Prozesse verloren. Außerdem ist die von uns erreichte Stromdichte mit de