- Die von der Nanyang Technological University entwickelte Vorrichtung kann aus Meerwasser Wasserstoff erzeugen und Hydrazin abbauen.
- Das System nutzt Sonnenlicht, um chemische Reaktionen anzutreiben, und benötigt keine externe Stromquelle.
- Die Vorrichtung baut Hydrazin direkt im Wasser ab und reduziert dessen Konzentration auf ein sicheres Niveau.
- Die Studie zeigt, dass das System wirtschaftlichen und ökologischen Wert für die solare Brenstofftechnologie besitzt.
Wissenschaftler der Nanyang Technological University in Singapur haben eine Solarvorrichtung entwickelt, die Wasserstoff aus Meerwasser gewinnen und gleichzeitig das hochgiftige Industrieschadstoff Hydrazin abbauen kann. Die Forschenden beschreiben das System als einen doppelt nützlichen Ansatz, der die Produktion sauberer Brennstoffe mit der Abwasserbehandlung verbindet. Die Vorrichtung nutzt Sonnenlicht, um den für den Antrieb chemischer Reaktionen benötigten Strom zu erzeugen – inspiriert von der Art, wie Blätter Sonnenlicht einfangen – und benötigt keine externe Stromversorgung.
Wasserstoff wird üblicherweise durch Elektrolyse von Wasser hergestellt, wobei elektrischer Strom die Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet. Die Elektronen erreichen die Kathode (negative Elektrode), wo sie zur Bildung von Wasserstoff beitragen. Die Verwendung von Meerwasser kann diesen Prozess nachhaltiger machen, da weder Süßwasser noch eine zusätzliche Aufbereitung zur Entfernung von Salz erforderlich sind. Allerdings können die im Meerwasser enthaltenen Chloridionen den Elektrolyseprozess stören, und es können zudem korrosive und giftige Chlorverbindungen entstehen, die die Elektroden beschädigen. Das Team der Nanyang Technological University unter der Leitung von Professorin Lydia Helena Wong von der School of Materials Science and Engineering löste diese Probleme, indem es die Reaktion an der Anode veränderte.
Funktionsweise der Vorrichtung
Der Katalysator in der Anode besteht aus Eisen, Kobalt und Chrom und kann Hydrazin in Wasserstoff und Stickstoff aufspalten. Da diese Reaktion weniger Energie benötigt als die Erzeugung von Sauerstoff im herkömmlichen Wasserelektrolyseprozess, kann das System Wasserstoff mit geringerem Energieaufwand produzieren. Die Anode entfernt zudem das Hydrazin aus dem Wasser und erzeugt gleichzeitig zusätzlichen Wasserstoff.
Für den Aufbau der Kathode verwendeten die Forschenden einen Perowskiten auf Bleihalogenidbasis – ein Halbleitermaterial, das Sonnenlicht absorbieren und in elektrischen Strom umwandeln kann. Ein leitfähiges Epoxidharz mit Silber- und Kupferpartikeln sowie Titanfolie schützen die Kathode vor Zersetzung. Tests mit simuliertem und echtem Meerwasser zeigten, dass die Vorrichtung unter Lichteinwirkung einen stabilen Strom erzeugen kann. Sie erreichte eine Fotostromdichte von 25 mA cm⁻², ein Maß für den Strom, der pro Flächeneinheit der beleuchteten Elektrode erzeugt wird. Das System lief mehr als 72 Stunden lang unter Einstrahlung, die dem Sonnenlicht an einem klaren Tag auf der Erdoberfläche entspricht, und produzierte Wasserstoff mit einer Rate von 466 μmol cm⁻² h⁻¹ – eine Menge, die laut den Forschenden mit der anderer Solar Systeme vergleichbar ist.
Ein bedeutender Fortschritt in der Umwelttechnik
Die Vorrichtung zeigte zudem ihre Fähigkeit zur Abwasserbehandlung. Sie baut Hydrazin direkt im Wasser ab, ohne den Schadstoff zuvor abtrennen zu müssen. Innerhalb von 30 Stunden senkte das System die Hydrazinkonzentration von 0,5 M (etwa 1,6 Gewichtsprozent) auf 0,5 ppb. Dieser Endwert liegt mehr als 20-mal unter dem Grenzwert von 10 ppb, den die US-Umweltschutzbehörde EPA zulässt. „Diese Doppelfunktionsvorrichtung stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Umwelttechnik dar. Indem sie Sonnenenergie hocheffizient nutzt, um giftige industrielle Schadstoffe abzubauen und gleichzeitig sauberen Brennstoff zu gewinnen, lösen wir Energie- und Umweltprobleme gleichzeitig“, erklärte Professorin Wong in einer Pressemitteilung.
„Dieser Durchbruch besteht nicht nur in der Produktion von solar erzeugtem Wasserstoff, sondern auch darin, einen praktischen Weg hin zu multifunktionalen photoelektrochemischen Systemen aufzuzeigen. Dieser doppelt nützliche Ansatz wird in Zukunft bei der Solarbrenstofftechnologie immer wichtiger werden, da wirtschaftlicher Wert und Umweltverträglichkeit Hand in Hand gehen müssen“, ergänzt James Durrant, Professor für Photochemie und nachhaltige Energien am Department of Chemistry der University of Oxford, der nicht an der Studie beteiligt war.
Das Team arbeitet derzeit an der Entwicklung von Katalysatoren, die auf andere Schadstoffe abzielen, und wandelt Abfälle in nützliche Produkte um, darunter Brennstoffe und Industriechemikalien. Die Studie wurde im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht.
Potenzial multifunktionaler photoelektrochemischer Systeme
Die Bedeutung dieser Forschung liegt in der innovativen Kombination von Wasserstoffproduktion und Abwasserbehandlung, die das Potenzial nachhaltiger Technologien verdeutlicht. Da die weltweite Nachfrage nach sauberer Energie steigt, können solche doppelt nützlichen Systeme nicht nur Energieprobleme wirksam lösen, sondern auch Umweltverschmutzung bekämpfen – ganz im Sinne aktueller Nachhaltigkeitstrends. Darüber hinaus wird die kontinuierliche Weiterentwicklung von Katalysatoren durch das Forschungsteam deren Anwendungsbereich weiter vergrößern und könnte künftige Umwelttechnologien nachhaltig prägen.