Mit Hilfe von Katalysatoren 18.11.2022, 07:00 Uhr

Wasserstoff schneller transportieren: Gasbläschen machen den Unterschied

Eine Forschergruppe des Helmholtz-Institutes Erlangen-Nürnberg und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg haben herausgefunden, wie sich der Transport von grünem Wasserstoff beschleunigen lässt. Winzige Gasbläschen machen den Unterschied.

Katalysator mit feinen Gasbläschen

Gasbläschen machen Katalysatoren effizienter. Das beschleunigt auch den Transport von Wasserstoff.

Foto: HI ERN / Thomas Solymosi

Katalysatoren sind in der Chemie sehr wichtige Stoffe. Denn sie haben einen großen Einfluss auf die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion. Das Besondere dabei: Sie sind praktisch unendlich einsetzbar, schließlich verbrauchen sie sich nicht selbst. Solche Katalysatoren kommen deshalb auch bei der Herstellung von Chemikalien zum Zuge und bei fast 80% aller chemischen Produktionsverfahren sind sie ebenfalls beteiligt. Darüber hinaus spielen sie eine wichtige Rolle bei der Energiespeicherung mit Wasserstoff.

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Eine Forschergruppe des Helmholtz-Institutes Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN) und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) hat diese Katalysatoren näher untersucht. Ihr Ergebnis könnte für die grüne Wasserstoffwirtschaft von zentraler Bedeutung sein. Zahlreiche Expertinnen und Experten sagen dem Wasserstoff eine blühende Zukunft voraus. Er könnte möglicherweise durch das Erdgasnetz strömen und diesen Energieträger komplett ersetzen. Allerdings ist Wasserstoff im Gegensatz zu Erdgas kein sogenannter Primärenergieträger. Das bedeutet, er muss unter Einsatz anderer Rohstoffe erst hergestellt werden. Auch als synthetischer Kraftstoff ist Wasserstoff eine Alternative. Die chemische Industrie nutzt ihn schon lange, unter anderem um Stickstoffdünger herzustellen. In Erdölraffinerien kommt er bei der Produktion von Erdöl zum Einsatz. In der Chemieindustrie wird in verschiedenen Prozessen bereits Wasserstoff statt Erdöl verwendet, unter anderem bei der Herstellung von Kunststoffen.

Wasserstoff schneller transportieren – mit flüssigen Trägermittel

Die Forschenden haben herausgefunden, dass die Katalysatoren, die in der Gaserzeugung Reaktionen auslösen, viel produktiver arbeiten, wenn sich in ihren Poren ganz besonders leicht Gasblasen bilden. „Dieser zusätzliche Faktor, der die Reaktionsgeschwindigkeit maßgeblich bestimmt, war bislang unbekannt. Bislang ging man davon aus, dass die Geschwindigkeit nur von der chemischen Oberflächenreaktion oder vom Transport der Moleküle zu den aktiven Zentren des Katalysators bestimmt wird“, sagt Peter Wasserscheid, Direktor des Helmholtz-Institutes Erlangen-Nürnberg, einer Außenstelle des Forschungszentrums Jülich, und Leiter des Lehrstuhls für Chemische Reaktionstechnik an der FAU.

Herausgekommen ist diese Erkenntnis im Rahmen einer Reaktion, von der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ausgehen, dass sie in Zukunft eine maßgebliche Rolle für den Transport von grünem Wasserstoff spielen könnte: Der Wasserstoff wird gebunden an ein sogenanntes flüssiges Trägermedium, darin gelagert und transportiert, um am Schluss daraus wieder freigesetzt zu werden. In diesem konkreten Fall setzten die Forschenden als Trägermedium LOHC ein, kurz für „liquid organic hydrogen carrier“. Expertinnen und Experten sind sich sicher, dass die Art und Weise dieses Transports besonders sicher und einfach zu handhaben ist. Gerade bei Wasserstoff ist die Geschwindigkeit entscheidend, denn je schneller er aus dem Trägermedium wieder herausgelöst werde, desto kompakter und leistungsstärker ließe sich die Technologie nutzen.

Wasserstoff schneller transportieren: wie eine Art Kreislauf-Prinzip

Konkret fanden die Forschenden heraus, dass sich 50-mal mehr Wasserstoff aus dem speziellen Trägermedium herausbildet, wenn dabei die Entstehung von Gasblasen in den Poren des Katalysators unterstützt wird. Und das pro Zeiteinheit und bei gleichen Bedingungen. Die Erklärung lautet: „Normalerweise produziert das System bei der katalytischen Wasserstofffreisetzung nur gelösten Wasserstoff. In der flüssigen Phase um die aktiven Zentren des Katalysators herum stellt sich dann schnell eine Sättigung ein“, erklärt Peter Wasserscheid.

Doch was bewirken diese feinen Bläschen genau? Sie fungieren wie eine Art winziger Pumpen. Dadurch tragen sie erheblich dazu bei, den freigesetzten Wasserstoff abzutransportieren. Das funktioniert nach folgendem Prinzip: Sobald eine Blase in einer Katalysatorpore entstanden ist, sammelt sie den Wasserstoff ein. Dabei wächst die Blase kontinuierlich. Löst sie sich danach in die umgebende Flüssigkeit ab, fließt der mit Wasserstoff beladene Träger in die Pore nach. Sofort startet dieser Vorgang erneut und bildet so eine Art Kreislauf. Fachleute nennen die Blasenbildung auch Nukleation. Ihr Vorteil: Sie lässt sich auch künstlich erzeugen. Das gelingt zum Beispiel, indem die Oberfläche eines Katalysators chemisch verändert wird. Zudem lässt sich eine sogenannte Nukleation mit einem mechanischen Reiz auslösen.

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Ein Beitrag von:

  • Nina Draese

    Nina Draese hat unter anderem für die dpa gearbeitet, die Presseabteilung von BMW, für die Autozeitung und den MAV-Verlag. Sie ist selbstständige Journalistin und gehört zum Team von Content Qualitäten. Ihre Themen: Automobil, Energie, Klima, KI, Technik, Umwelt.

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