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Strom erleichtert die gewinnung aus Ammoniak
Ammoniak lässt sich leichter lagern und transportieren als gasförmiger Wasserstoff, doch seine Rückgewinnung verlangt bisher viel Hitze und zusätzliche Reinigung. Eine elektrochemische Zelle zieht Wasserstoff schon während der Spaltung durch eine Palladiummembran und liefert ihn als reinen Gasstrom. Im Labor erreichte das Verfahren bei 250 Grad Celsius hohe Umsetzungen von Ammoniak und einem zweiten Wasserstoffträger.
Cambridge (U.S.A.). Wasserstoff ist ein vielseitiger Energieträger und wichtiger Rohstoff, lässt sich als Gas aber nur aufwendig speichern und transportieren. Ammoniak bietet deshalb eine Alternative: Die Flüssigkeit kann Wasserstoff chemisch binden und wird bereits über große Entfernungen transportiert, bevor er am Ziel wieder abgespalten wird. Herkömmliches Ammoniak-Cracking benötigt für hohe Reaktionsraten und Umsetzungen meist Temperaturen von mehr als 500 Grad Celsius, anschließend muss der Wasserstoff aus dem Gasgemisch gereinigt werden.
Die neue Zelle verbindet diese beiden Schritte, indem sie den entstehenden Wasserstoff fortlaufend aus der Reaktion entfernt und zugleich auf der anderen Seite einer selektiven Membran konzentriert. Dadurch kann die Ammoniakspaltung bei deutlich niedrigeren Temperaturen vorankommen, während zugleich ein Wasserstoffstrom entsteht, der keinen eigenen nachgeschalteten Reinigungsschritt mehr benötigt.
Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) um Yogesh Surendranath haben dafür eine palladiumbasierte Membran als Anode einer elektrochemischen Zelle eingesetzt. Auf der Reaktionsseite spaltet ein Katalysator aus Ruthenium und Cäsium das Ammoniak. Der frei werdende Wasserstoff gelangt in die Palladiummembran, während Stickstoff und übriges Ammoniak zurückgehalten werden. Auf der anderen Seite liegt ein geschmolzener Hydroxid-Elektrolyt, über den die elektrochemische Reaktion mit einer wasserstoffbildenden Kathode gekoppelt ist.
„Mit diesem elektrochemischen Prozess können wir Wasserstoff aktiv von einer niedrigen zu einer hohen Konzentration pumpen“, erklärt Yogesh Surendranath.
Entscheidend ist dabei, dass die elektrische Triebkraft den Wasserstoff nicht nur trennt, sondern durch seine fortlaufende Entfernung zugleich die Dehydrierung begünstigt. Wasserstoff kann die Reaktion bei mäßigen Temperaturen selbst bremsen, sodass sein Abtransport die Umsetzung weiter in Richtung der Produkte verschiebt. In einem separaten Trennversuch wandelte die Zelle einen Gasstrom mit einem Wasserstoff-Partialdruck von 0,05 Atmosphären in einen reinen Wasserstoffstrom bei 1,0 Atmosphären um. Bei 300 Grad Celsius war die Trennrate viermal so hoch wie bei einem nur durch Druckunterschied angetriebenen Vergleich.
Mit dem Ammoniak-Katalysator gekoppelt erreichte der Aufbau bei 250 Grad Celsius eine Ammoniak-Umsetzung von bis zu 91 Prozent. Auch Methylcyclohexan, ein flüssiger organischer Wasserstoffträger, ließ sich mit demselben Prinzip dehydrieren und kam bei derselben Temperatur auf bis zu 94 Prozent Umsetzung. Damit zeigt das Experiment, dass die elektrochemisch angetriebene Wasserstoffentfernung nicht auf Ammoniak beschränkt sein muss.
Die Forscher bezeichnen das System ausdrücklich als Machbarkeitsnachweis. Für eine praktische Wasserstoffversorgung wäre besonders interessant, dass Reaktion und Reinigung in einem Gerät zusammenfallen. Reiner Wasserstoff wird etwa in Brennstoffzellen, in chemischen Prozessen und bei der Halbleiterfertigung benötigt. Chemische Träger könnten ihn an Orte bringen, an denen direkte Speicherung, Verflüssigung oder Drucktransport ungünstig sind.
Bis zu einem industriellen Einsatz sind jedoch wichtige Fragen offen, denn vor allem die Palladiummembran ist teuer und größere Anlagen sind noch nicht demonstriert. Das Team arbeitet deshalb daran, die benötigte Palladiummenge zu verringern und das Verfahren auf größere Systeme sowie weitere industriell interessante Dehydrierungsreaktionen zu übertragen. Die MIT-Mitteilung hebt den geringeren Energiebedarf fü