Die nachhaltige Produktion von Wasserstoff könnte potenziell effizienter gestaltet werden, indem dem Prozess ein geschickt ausgewähltes Salz hinzugefügt wird. Forscher des Leiden Institute of Chemistry (LIC) haben in Zusammenarbeit mit Physikern der Universität Twente herausgefunden, dass die Art des Salzes, das bei der Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse vorhanden ist, die Bildung von Wasserstoffblasen beeinflusst. Dies ist interessant, da die Blasenbildung die Effizienz der Wasserstoffproduktion beeinflusst.
Eine nachhaltige Wasserstoffproduktion wird bei der Energiewende eine wichtige Rolle spielen. Wasserstoff ist ein CO2-freier Energieträger und ein Rohstoff beispielsweise für Düngemittel. „Eine nachhaltige Möglichkeit, Wasserstoff herzustellen, ist die Elektrolyse“, sagt Marc Koper, Professor für Katalyse und Oberflächenchemie.
Was ist Elektrolyse?
Bei der Elektrolyse wird Wasser (H2O) durch eine elektrochemische Reaktion in Wasserstoffgas (H2) und Sauerstoffgas (O2) umgewandelt. Dazu legt man zwei Elektroden in Wasser, in dem Salz gelöst ist. Das Salz sorgt für eine gute elektrische Leitfähigkeit. Sobald man eine elektrische Spannung an die Elektroden anlegt, bilden sich an einer Elektrode Blasen aus Wasserstoffgas und an der anderen Sauerstoffblasen.
Warum wollen wir kleine Blasen?
Koper und seine Kollegen untersuchten, wie sich die Wasserstoffblasen bilden und von der Elektrode ablösen. Ihre Forschung erschien in der Zeitschrift Naturchemie. „Es sollen kleine Bläschen entstehen, die möglichst kurzzeitig an der Elektrodenoberfläche haften bleiben“, erklärt Koper. „Das liegt daran, dass die Blasen als Isolatoren wirken und die Elektrolysezelle weniger leitfähig machen, was zu einer weniger effizienten Wasserstoffproduktion führt.“
Ein Teppich aus kleinen Bläschen
Für die Studie verwendeten die Wissenschaftler eine etwa 0,1 Millimeter große Elektrode, an der sich genau eine Blase bilden konnte. „Dadurch konnten wir das Verhalten einer einzelnen Blase mit verschiedenen Salzarten untersuchen“, sagt Postdoc Sunghak Park.
Fortschrittliche Kameras der Twente-Forschungsgruppe von Detlef Lohse und Dominik Krug haben das Verhalten der Blasen sorgfältig aufgezeichnet. Es stellte sich heraus, dass sich anstelle einer einzelnen Blase ein Teppich aus kleineren Blasen bildet, wobei die größere Blase oben liegt und von den kleineren gespeist wird.
Die Art des Salzes beeinflusst die Blasenbildung
Aber das war nicht die größte Überraschung. Es stellte sich heraus, dass die Art und Weise, wie die kleineren Blasen die größere ernähren und wann diese größere Blase die Oberfläche der Elektrode verlässt, stark vom verwendeten Salz abhängt. „Das war vorher noch nicht beobachtet worden“, sagt Koper.
Salz besteht aus zwei unterschiedlich geladenen Teilchen (Ionen): positiv geladenen Kationen und negativ geladenen Anionen. Es wurde festgestellt, dass insbesondere das Anion einen Einfluss auf die Blasenbildung hat. Beim Sulfatanion bildeten sich aus kleinen Bläschen leicht große Bläschen, während sich beim Perchloratanion hauptsächlich kleine Bläschen bildeten, die schnell freigesetzt wurden.
Was hat Weinverkostung mit Elektrolyse zu tun?
Die Forscher fanden heraus, dass dies auf den Marangoni-Effekt zurückzuführen ist, der auch Weinbeine oder „Tränen“ verursacht. Beim Marangoni-Effekt entsteht aufgrund eines Konzentrations- oder Dichteunterschieds ein Flüssigkeitsstrom. Bei der Elektrolyse führt die Wasserstoffproduktion zu einem Unterschied in der Anionenkonzentration an der Elektrode, wodurch dort ein ähnlicher Flüssigkeitsfluss entsteht.
Die Richtung dieses Flusses hängt von der Art des Anions ab. Bei Sulfat drückt die Strömung die Blasen nach unten gegen die Elektrode. Dadurch wächst die große Blase und bleibt länger haften. Bei Perchlorat drückt die Strömung die Blasen von der Elektrode weg und verhindert so, dass sie eine größere Blase bilden. Dies führt zu einer schnelleren Freisetzung kleiner Bläschen von der Oberfläche.
Die kommerzielle Elektrolyse effizienter machen
„Dass dieser Mechanismus bei der Blasenbildung eine Rolle spielt, war nicht bekannt“, sagt Koper. „Das ist interessant, weil es bedeutet, dass wir das Blasenverhalten durch Zugabe der richtigen Salze kontrollieren können.“ Ob dadurch die kommerzielle Elektrolyse effizienter werden kann, muss die zukünftige Forschung zeigen.
Mehr Informationen:
Park, S. et al. Der Solutal-Marangoni-Effekt bestimmt die Blasendynamik während der elektrokatalytischen Wasserstoffentwicklung. Naturchemie (2023). DOI: 10.1038/s41557-023-01294-y www.nature.com/articles/s41557-023-01294-y