Zusammenfassung:
Forscher haben kürzlich ein neues „künstliches Blatt“-Gerät entwickelt, das von natürlichen Blättern inspiriert ist und Sonnenlicht nutzen kann, um sauberen Wasserstoff direkt aus verschmutztem Meerwasser zu erzeugen und gleichzeitig den giftigen Schadstoff Hydrazin in Industrieabwässern zu zersetzen und so die beiden Funktionen Energieerzeugung und Wasserreinigung gleichzeitig zu erfüllen. Dieses Ergebnis wurde in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht und gilt als eine effizientere und nachhaltigere neue Idee für die zukünftige Produktion grüner Wasserstoffenergie.
Wasserstoff wird weithin als eine der wichtigsten sauberen Energiequellen der Zukunft angesehen, doch der traditionelle Wasserstoffproduktionsprozess erfordert oft eine große Menge Energie. Die derzeit gebräuchlichste Methode ist die Elektrolyse von Wasser, bei der elektrischer Strom verwendet wird, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Allerdings sind die meisten Elektrolysesysteme auf wertvolle Süßwasserressourcen angewiesen. Obwohl Meerwasser reichlich vorhanden ist, ist es schwierig, es direkt zu nutzen, da es große Mengen an Chloridionen enthält. Chloridionen verringern nicht nur die Reaktionseffizienz, sondern können auch korrosive und giftige Chlorierungsnebenprodukte erzeugen, die Schäden an der Ausrüstung verursachen.
Um diese Probleme zu überwinden, hat ein Forschungsteam der Nanyang Technological University in Singapur ein neues lichtbetriebenes Gerät entwickelt. Das Gerät kann Sonnenenergie sammeln, genau wie Pflanzenblätter Photosynthese betreiben, und die Lichtenergie direkt in die elektrische Energie umwandeln, die zum Antreiben chemischer Reaktionen erforderlich ist, ohne dass eine zusätzliche externe Stromversorgung erforderlich ist.
Das Forschungsteam führte einen Katalysator aus Eisen, Kobalt und Chrom in den Anodenteil des Geräts ein. Der Katalysator zerlegt Hydrazin, eine hochgiftige Chemikalie, die häufig in Industrieabwässern vorkommt, in Wasserstoff und Stickstoff. Verglichen mit der Reaktion, bei der bei herkömmlichen Wasserelektrolyseverfahren Sauerstoff erzeugt wird, benötigt dieser Hydrazinoxidationsprozess weniger Energie und kann daher die Gesamteffizienz der Wasserstoffproduktion deutlich verbessern. Gleichzeitig wird Hydrazin als Schadstoff wirksam entfernt, wodurch die Abwasserreinigungsfunktion realisiert wird.
Die Forscher sagen, dass dieses Design doppelte Vorteile bringt. Einerseits nutzt die Kathode Sonnenlicht, um Meerwasser zur Produktion von Wasserstoff anzutreiben; Andererseits produziert die Anode auch zusätzlichen Wasserstoff, während sie schädliches Hydrazin verarbeitet, wodurch die Gesamtwasserstoffproduktion des Systems erhöht wird. Darüber hinaus weist der Katalysator eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit auf und seine elektrischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften können je nach Anwendungsanforderungen angepasst werden.
Noch wichtiger ist, dass dieser Reaktionsmechanismus auch die Entstehung schädlicher Chlorid-Nebenprodukte während der Meerwasserelektrolyse erheblich hemmen kann. Aufgrund der geringeren Entstehung korrosiver und toxischer Substanzen wird eine Verbesserung der Betriebsstabilität und Lebensdauer der Geräte erwartet.
Im Teil der photoelektrischen Umwandlung verwendeten die Forscher Bleihalogenid-Perowskit-Materialien zur Herstellung von Kathoden. Diese Art von Halbleitermaterial hat in den letzten Jahren aufgrund seiner hohen Effizienz bei der Absorption von Lichtenergie und deren Umwandlung in elektrische Energie große Aufmerksamkeit erregt. Um eine Verschlechterung des Materials durch die Meerwasserumgebung zu verhindern, schützte das Team es mit leitfähigem Epoxidharz, das Silber- und Kupferpartikel enthielt, sowie Titanfolie.
Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass das Gerät sowohl in simuliertem Meerwasser als auch in tatsächlichen Meerwasserproben stabil Strom erzeugen kann. Seine Photostromdichte erreicht 25 Milliampere pro Quadratzentimeter und liegt damit an der Spitze der aktuell gemeldeten Ergebnisse einer bleibasierten Perowskit-Photokathode, was auf die hervorragende Fähigkeit zur Umwandlung von Solarenergie hinweist.
Auch der Stabilitätstest schnitt gut ab. Unter Bedingungen, die der Intensität des natürlichen Sonnenlichts an einem klaren Tag entsprechen, läuft das Gerät seit mehr als 72 Stunden ununterbrochen und seine Leistung bleibt stabil. Gleichzeitig wurden die Hydrazinkonzentrationen von 0,5 Mol pro Liter auf 0,5 Teile pro Milliarde (ppb) gesenkt, was deutlich unter dem Sicherheitsgrenzwert der US-Umweltschutzbehörde von 10 ppb liegt.
Das Forschungsteam glaubt, dass diese Technologie die Machbarkeit der Nutzung von Solarenergie beweist, um Meerwasser direkt anzutreiben, um Wasserstoff zu produzieren und gleichzeitig Schadstoffe zu behandeln. Als nächstes planen sie, den Anwendungsbereich der Plattform weiter zu erweitern, um sie in die Lage zu versetzen, mehr Arten von Schadstoffen zu verarbeiten und die Möglichkeit der Umwandlung von Abfällen in Kraftstoffe oder Industriechemikalien zu untersuchen und so die integrierte Entwicklung grüner Energie- und Umweltmanagementtechnologien zu fördern.
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