Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft. Doch die Herstellung ist oft teuer und abhängig von seltenen Edelmetallen. Forscher der Kyushu University und der Universität Osaka haben jetzt ein Verfahren vorgestellt, das nur Eisenionen und UV-Licht benötigt, um Methanol in Wasserstoff zu spalten.
Die Herstellung von Wasserstoff aus fossilen Quellen stößt an ihre Grenzen, da sie dem Ziel der Klimaneutralität widerspricht. Alternativen wie die Spaltung von Alkoholen gelten als vielversprechend, scheitern aber oft an den hohen Kosten der benötigten Katalysatoren.
Diese basieren meist auf seltenen Edelmetallen wie Ruthenium oder Iridium und erfordern teure organische Ligandenstrukturen. Ein Team der Kyushu University und der Universität Osaka hat nun einen Weg gefunden, der auf dem häufigsten Übergangsmetall der Erde beruht: Eisen.
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Takahiro Matsumoto, außerordentlicher Professor an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Kyushu-Universität, der die Studie leitete, dazu:
Unsere Forschungsgruppe beschäftigt sich schon seit Langem mit der Entwicklung von Katalysatoren aus reichlich vorhandenen und kostengünstigen Elementen. Dieses Mal haben wir unseren Fokus auf Nachhaltigkeit gerichtet und die Eignung gängiger Metalle als Katalysatoren für die Erzeugung von Wasserstoff untersucht.
Zufallsfund im Labor führt zu neuem Wasserstoff-Verfahren
Ein Zufall im Labor brachte die Forscher auf die Spur. Während sie eigentlich Eisenkomplexe untersuchten, stellten sie fest, dass bereits ein freies Eisenion in Kombination mit UV-Licht ausreicht, um Methanol zu spalten. Das Verfahren verzichtet vollständig auf Liganden, die sonst zur Stabilisierung der Metallzentren notwendig sind.
Der Prozess läuft dabei in einer klaren Lösung ab, ohne dass sich messbare Partikel bilden – es handelt sich also um ein homogenes System. Neben Wasserstoff entstehen dabei zwei flüssige Nebenprodukte: Formaldehyd und Ameisensäure. Die Analyse ergab, dass beide Verbindungen in fast identischen Mengen gebildet werden.
So funktioniert das Verfahren bei Raumtemperatur
Ein wesentlicher praktischer Vorteil des neuen Verfahrens liegt in den Betriebsbedingungen. Während vergleichbare Systeme mit Edelmetallkomplexen oft Temperaturen von über 90 Grad Celsius benötigen, funktioniert das eisenbasierte System bereits bei Raumtemperatur.
UV-Licht im Bereich von 250 bis 385 Nanometern treibt die Reaktion an. Schaltet man die Lichtquelle ab, stoppt die Wasserstoffproduktion sofort. Das Licht liefert also nicht nur den Startimpuls, sondern versorgt den Prozess kontinuierlich mit Energie.
Für eine effiziente Umsetzung ist die Zugabe von Natronlauge zwingend erforderlich. Sie fungiert als chemischer Türöffner: Die Lauge bereitet das Methanol so vor, dass das Eisen es besser binden kann. Auch Sauerstoff aus der Luft spielt eine entscheidende Rolle.
Wasserstoff aus Methanol
In einer sauerstofffreien Umgebung findet keine Wasserstoffbildung statt. Die Kinetik der Reaktion folgt einem Gleichgewicht, bei dem die Lauge die Verbindung des Methanols mit dem Eisenion optimiert. Der genaue Mechanismus, wie der Sauerstoff an der Reaktion beteiligt ist, muss jedoch noch weiter erforscht werden.
Die Leistungsfähigkeit des Systems ist im Vergleich zu anderen Methoden gemischt. Die Quantenausbeute liegt bei 5,9 Prozent, gemessen unter einer spezifischen 365-Nanometer-LED-Lichtquelle. Das liegt deutlich unter den 90,8 Prozent, die bei Platin-Titandioxid-Katalysatoren erreicht werden.
Gravierend fällt der Leistungsabfall in wässrigen Lösungen aus. In einem Gemisch aus Methanol und Wasser erreicht das System nur noch ein Hundertstel der Ausbeute, die in reinem Methanol möglich ist. Für den Einsatz in wasserhaltiger Biomasse ist das Verfahren damit derzeit praktisch bedeutungslos.
Was das Verfahren für die Wasserstoff-Industrie bedeutet
Trotz der Einschränkungen bei der Quantenausbeute und im Wasser bietet das Verfahren neue Perspektiven. Die Verwendung von Eisenchlorid als Katalysator ist extrem kostengünstig und vermeidet die Abhängigkeit von seltenen Rohstoffen.
Die Stabilität des Systems ermöglicht einen Dauerbetrieb von mindestens 72 Stunden und eine Wiederverwendung des Katalysators ohne nennenswerten Aktivitätsverlust. Dass der Ansatz auch außerhalb des Reagenzglases funktioniert, zeigt ein erster Vergrößerungsversuch: In einem 50-Milliliter-Kolben erzeugte das System nach 15 Stunden über 1,5 Milliliter Wasserstoffgas.
Die Autoren der Studie, veröffentlicht im Journal Communications Chemistry, sehen noch Klärungsbedarf. Der genaue Reaktionsmechanismus ist noch nicht vollständig verstanden. Zudem muss die Effizienz in wässrigen Umgebungen steigen, um das Verfahren für die Nutzung von Biomasse praktikabel zu machen. Laut den Forschern könnte die Weiterentwicklung des Systems langfristig dazu beitragen, die Kosten für die Wasserstoffproduktion zu senken.
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