Ein Forscherteam der National University of Singapore (NUS) hat eine zufällige wissenschaftliche Entdeckung gemacht, die möglicherweise die Art und Weise revolutionieren könnte, wie Wasser zur Freisetzung von Wasserstoffgas abgebaut wird – ein Element, das für viele industrielle Prozesse von entscheidender Bedeutung ist.
Das Team unter der Leitung von Associate Professor Xue Jun Min, Dr. Wang Xiaopeng und Dr. Vincent Lee Wee Siang vom Department of Materials Science and Engineering des NUS College of Design and Engineering (NUS CDE) fand heraus, dass Licht ein neues auslösen kann Mechanismus in einem katalytischen Material, das häufig in der Wasserelektrolyse verwendet wird, bei der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. Das Ergebnis ist eine energieeffizientere Methode zur Gewinnung von Wasserstoff.
Dieser Durchbruch wurde in Zusammenarbeit mit Dr. Xi Shibo vom Institute of Sustainability for Chemicals, Energy and Environment der Agency for Science, Technology and Research (A*STAR) erzielt; Dr. Yu Zhigen vom Institute of High Performance Computing unter A*STAR; und Dr. Wang Hao von der Fakultät für Maschinenbau des NUS CDE.
„Wir entdeckten, dass das Redoxzentrum für die elektrokatalytische Reaktion zwischen Metall und Sauerstoff umgeschaltet wird, ausgelöst durch Licht“, sagte Assoc. Prof. Xue. „Dies verbessert die Effizienz der Wasserelektrolyse erheblich.“
Die neue Erkenntnis kann möglicherweise neue und effektivere industrielle Methoden zur Herstellung von Wasserstoff eröffnen und diese umweltfreundliche Kraftstoffquelle für mehr Menschen und Industrien zugänglich machen.
Assoz. Prof. Xue und sein Team haben ihre Entdeckung in einer in der Zeitschrift veröffentlichten Forschungsarbeit ausführlich beschrieben Natur am 26. Oktober 2022.
Der zufällige Durchbruch
Unter normalen Umständen ist Assoc. Prof. Xue und sein Team waren möglicherweise nicht in der Lage, auf eine so bahnbrechende Entdeckung zu stoßen. Aber ein versehentlicher Stromausfall der Deckenleuchten in seinem Labor vor fast drei Jahren ermöglichte es ihnen, etwas zu beobachten, was der globalen wissenschaftlichen Gemeinschaft noch nicht gelungen ist.
Damals waren die Deckenleuchten in Assoc. Das Forschungslabor von Prof. Xue war normalerweise 24 Stunden lang eingeschaltet. Eines Nachts im Jahr 2019 gingen die Lichter wegen eines Stromausfalls aus. Als die Forscher am nächsten Tag zurückkehrten, stellten sie fest, dass die Leistung eines auf Nickeloxyhydroxid basierenden Materials im Wasserelektrolyse-Experiment, das im Dunkeln fortgesetzt worden war, drastisch gesunken war.
„Diesen Leistungsabfall hat noch nie jemand bemerkt, weil noch nie jemand das Experiment im Dunkeln gemacht hat“, sagte Assoc. Prof. Xue. „Außerdem sagt die Literatur, dass ein solches Material nicht lichtempfindlich sein sollte; Licht sollte keinen Einfluss auf seine Eigenschaften haben.“
Der elektrokatalytische Mechanismus bei der Wasserelektrolyse ist ein sehr gut erforschtes Thema, während das Material auf Nickelbasis ein sehr verbreitetes katalytisches Material ist. Um also festzustellen, dass sie kurz davor standen, etwas Bahnbrechendes zu entdecken, hat Assoc. Prof. Xue und sein Team begannen mit zahlreichen wiederholten Experimenten. Sie gingen tiefer in die Mechanik hinter einem solchen Phänomen ein. Sie wiederholten das Experiment sogar außerhalb von Singapur, um sicherzustellen, dass ihre Ergebnisse konsistent waren.
Drei Jahre später, Assoc. Prof. Xue und sein Team konnten ihre Erkenntnisse schließlich in einem Papier öffentlich teilen.
Nächste Schritte
Mit ihren Erkenntnissen arbeitet das Team nun daran, einen neuen Weg zur Verbesserung industrieller Prozesse zur Erzeugung von Wasserstoff zu entwerfen. Assoz. Prof. Xue schlägt vor, die wasserhaltigen Zellen transparent zu machen, um Licht in den Wasserspaltungsprozess einzubringen.
„Dies sollte weniger Energie im Elektrolyseprozess erfordern und es sollte viel einfacher sein, natürliches Licht zu verwenden“, sagte Assoc. Prof. Xue. „In kürzerer Zeit und mit weniger Energieverbrauch kann mehr Wasserstoff produziert werden.“
Lebensmittelunternehmen verwenden Wasserstoffgas, um ungesättigte Öle und Fette in gesättigte Öle umzuwandeln, die uns Margarine und Butter liefern. Wasserstoff wird auch zum Zusammenschweißen von Metallen verwendet, da er eine hohe Temperatur von 4.000 Grad C erzeugen kann. Die Erdölindustrie verwendet das Gas, um den Schwefelgehalt aus Öl zu entfernen.
Darüber hinaus kann Wasserstoff potenziell als Kraftstoff verwendet werden. Wasserstoff wird seit langem als nachhaltiger Kraftstoff angepriesen und verursacht keine Emissionen, da er bei der Reaktion mit Sauerstoff verbrennt – es ist keine Zündung erforderlich, was ihn zu einer saubereren und umweltfreundlicheren Kraftstoffquelle macht. Es ist auch einfacher zu lagern und damit zuverlässiger als solarbetriebene Batterien.
Assoz. Prof. Xue freut sich, dass die Ergebnisse seines Forscherteams zu wissenschaftlichen Entdeckungen beitragen konnten. Er glaubt, dass der Weg zur Entwicklung der Wissenschaft nicht darin besteht, immer wieder neue Wege zu finden, um das bereits Erreichte zu tun, sondern ständig die Grenzen zu verschieben.
„Nur durch die Anhäufung von neuem Wissen können wir die Gesellschaft schrittweise verbessern“, sagte Assoc. Prof. Xue.
Xiaopeng Wang et al, Schlüsselrolle der reversiblen geometrischen Umwandlung von NiO6 in der Sauerstoffentwicklung, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05296-7