Elektrolyse ohne Sauerstoff: Zelle liefert Wasserstoff und Epoxid

Grüner Wasserstoff soll Stahlwerke, Düngemittelfabriken und Raffinerien klimafreundlicher machen. Sein Preis bremst ihn bisher aus: Die Elektrolyse braucht viel erneuerbaren Strom, deshalb liegt das Gas über den Kosten von Wasserstoff aus Erdgas oder Kohle. Die Herstellung aus diesen fossilen Quellen verursacht rund zwei Prozent der weltweiten CO₂-Emissionen. Forscher:innen suchen darum Wege, die Elektrolyse wirtschaftlicher zu machen. Ein Team des Technion in Haifa verfolgt dafür eine neue Idee. Es ersetzt den Sauerstoff, der bei der Wasserspaltung als wenig lukratives Nebenprodukt entsteht, durch eine verkäufliche Chemikalie.

Ein Epoxid statt Sauerstoff

Bei der klassischen Wasserspaltung bildet sich an der negativen Elektrode Wasserstoff und an der positiven Sauerstoff. Viele Elektrolyseure trennen beide Seiten durch eine Membran, damit sich die Gase nicht mischen. Das erhöht den technischen Aufwand. Das Team um Prof. Avner Rothschild und Postdoc Dr. Guilin Ruan lässt an der positiven Elektrode stattdessen eine chemische Synthese ablaufen. Ihr Produkt ist Styroloxid, ein Epoxid. Diese Stoffgruppe dient als Baustein für Kunststoffe, Beschichtungen, Klebstoffe und Arzneimittel.

Bromid als Vermittler

Als Ausgangsstoff wählten die Forscher:innen Styrol. Die Schlüsselrolle spielt Bromid. An der positiven Elektrode oxidiert es zu Brom, das mit dem Styrol reagiert. Dabei entsteht das Epoxid, und das Bromid steht wieder zur Verfügung. Es kreist im System, statt sich zu verbrauchen. An der platinhaltigen negativen Elektrode bildet sich währenddessen Wasserstoff. Die Elektrolyseflüssigkeit besteht aus Wasser, dem Lösungsmittel Acetonitril und gelöstem Natriumbromid. Das Brom bleibt überwiegend in der Lösung, deshalb funktioniert die Zelle ohne Trennmembran. Die Gruppe baut damit auf früheren Arbeiten zur membranfreien Elektrolyse auf. Eine davon vermarktet bereits das Unternehmen H2Pro.

98 Prozent Faraday-Effizienz, aber kein Gesamtwirkungsgrad

Die Messwerte fallen hoch aus. Die Faraday-Effizienz erreichte bei der Wasserstoffbildung bis zu 98 Prozent, bei der Epoxid-Synthese ebenfalls. Fast die gesamte elektrische Ladung trieb also die gewünschten Reaktionen an, nur zwei Prozent gingen an Nebenreaktionen verloren. Die beiden Spitzenwerte stammen allerdings aus unterschiedlichen Versuchen. Die Epoxid-Ausbeute lag je nach Einstellung bei 81 bis 89 Prozent der theoretisch möglichen Menge. Die Zelle arbeitete mit Stromdichten von bis zu 500 Milliampere pro Quadratzentimeter, was laut Rothschild zur großtechnischen Elektrolyse passt. In einem zehnstündigen Dauertest blieb die Wasserstoffproduktion stabil, und an der untersuchten Anode zeigten sich keine Veränderungen.

Die Faraday-Effizienz sagt jedoch nur, wohin die Ladung fließt. Über den Energiebedarf der Anlage sagt sie nichts. Bei 100 Milliampere pro Quadratzentimeter lag die Zellspannung nach Abzug der Widerstandsverluste bei rund 2,3 Volt und damit noch über den Vergleichswerten moderner kommerzieller Wasserelektrolyseure.

Lohnt sich das wirklich?

Wirtschaftlich könnte sich das Verfahren lohnen, weil sich das Epoxid verkaufen lässt. Einen günstigeren Wasserstoffpreis hat bisher kein Experiment belegt. In die Rechnung müssen Styrol, Lösungsmittel, Produktabtrennung und Elektroden einfließen. Ein Zehn-Stunden-Test beweist zudem keine jahrelange Haltbarkeit, und der Dauerbetrieb im größeren Maßstab steht noch aus. Das Technion hat ein US-Patent angemeldet. Der Europäische Forschungsrat förderte die Arbeit im Projekt H2Bro. Die Studie erschien in Nature Communications.

via Technion