Effiziente Membran für die Wasserspaltung
Gewinnung von Wasserstoff mit keramischen Materialien mit maßgeschneiderten Fehlstellen.
Durch das Verbrennen fossiler Energieträger in Kohle- und Gaskraftwerken entstehen umweltschädliche Abgase. Jülicher Forscher arbeiten an Möglichkeiten, diese Abgase nicht nur zu reduzieren, sondern auch nutzbar zu machen. Sie entwickeln keramische Membranen, mit denen sich aus Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf reiner Wasserstoff abtrennen lässt, der dann als sauberer Energieträger zum Beispiel in Brennstoffzellen verwendet werden kann. Nun konnten sie die Leistungsfähigkeit dieser Membranen auf einen bisher unerreichten Wert steigern.
Abb.: Aufnahme der Membran mit einem Transmissionselektronenmikroskop. Die beiden Phasen für Protonen- und Elektronenleitung sind farblich gekennzeichnet.; (Bild: FZJ)
In technischen Systemen lassen sich mit Membranen Gase effizienter und kostengünstiger als mit etablierten Verfahren trennen. Membransysteme ermöglichen so die Abtrennung von schädlichen Klimagasen mit vergleichsweise geringen Verlusten. Gleichzeitig lässt sich so hochreiner Wasserstoff für saubere Energieerzeugung und -speicherung gewinnen. Dies macht keramische Membranen zu einer Schlüsseltechnologie der Energiewende. Eine Möglichkeit, den Wasserstoff aus Gasgemischen abzutrennen, ist eine Zweiphasen-Membran. „Diese besteht aus zwei keramischen Materialien. Die einzelnen Körnchen haben nur eine Größe von einem tausendstel Millimeter und weisen einerseits eine ionische und anderseits eine elektronische Leitfähigkeit auf“, erklärt Mariya Ivanova vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung.
Die Bestandteile des Wasserstoffs, Protonen und Elektronen, werden so einzeln durch die Membran transportiert. Auf der anderen Seite setzen sie sich zu hochreinem Wasserstoff zusammen. Möglich ist dies durch maßgeschneiderte Fehlstellen im Kristallgitter der Keramiken, die durch Protonen besetzt werden. Diese Protonen, angetrieben durch Druckunterschiede und Temperatur, werden durch das Material der Membran geleitet. „Sie docken an einem Sauerstoffion an, und springen in Richtung des geringeren Drucks zum nächsten Sauerstoffion, von Fehlstelle zu Fehlstelle, bis sie auf der anderen Seite wieder zu elementarem Wasserstoff formiert werden“, sagt Mariya Ivanova. „Die Elektronen werden durch den zweiten Bestandteil der Keramik transportiert und sorgen für einen Ladungsausgleich.“
Doch das Verfahren weist noch einige entscheidende Schwächen auf. Für die Wasserstoffabtrennung sind hohe Temperaturen notwendig, was sie energieaufwändig macht. Außerdem sind die bisher untersuchten Membranen in einer kohlenstoffhaltigen Umgebung nicht stabil und werden unbrauchbar. Auch die Rate des Wasserstoffdurchflusses ist noch nicht hoch genug. Doch die Forscher um Mariya Ivanova haben wichtige Fortschritte gemacht: Durch das gezielte Einbringen von Fremdatomen in das Kristallgitter ist ihre Membran stabiler und bei niedrigeren Temperaturen einsetzbar. Der größte Erfolg ist jedoch der gesteigerte Wasserstoffdurchfluss. „Er ist beinahe doppelt so hoch wie bei allen bisher dokumentierten Fällen“, freut sich Ivanova.
Die Jülicher Membranen für die Messungen sind nur so groß wie ein 10-Cent-Stück, und einen halben Millimeter dick. „An einen industriellen Einsatz ist noch nicht zu denken“, erklärt Ivanova. „Wir forschen weiter, suchen nach dem geeigneten Material, mit großer Durchflussrate und Stabilität und geringen Kosten. Der nächste Schritt ist danach die Vergrößerung der Komponentengröße um einen wirtschaftlichen Einsatz zu gewährleisten.“ Die Forscher wollen zunächst eine Fläche zehn mal zehn Quadratzentimeter erreichen.
FZJ / JOL
