Effiziente Membran für die Wasserspaltung

  • 30. November 2016

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)

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

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