Wasserstoffbasierte Kraftstoffe sind eine der vielversprechendsten Quellen für saubere Energie. Die Herstellung von reinem Wasserstoffgas ist jedoch ein energieintensiver Prozess, für den häufig Kohle oder Erdgas und große Mengen Strom benötigt werden.
Das Verfahren nutzt eine kohlenstoffreiche Substanz namens Biokohle, um die Menge an Strom zu reduzieren, die für die Umwandlung von Wasser in Wasserstoff benötigt wird. Durch die Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie Sonnen- oder Windenergie und die Verwendung von Nebenprodukten für andere Zwecke kann das Verfahren die Treibhausgasemissionen auf Null reduzieren.
Elektrolyse mit tierischen Exkrementen
„Wir sind die erste Gruppe, die gezeigt hat, dass man mit einem Bruchteil eines Volts Wasserstoff aus Biomasse herstellen kann“, sagte Singh, Professor in der Abteilung für Chemieingenieurwesen. „Dies ist eine transformative Technologie.“ Für die Elektrolyse, den Prozess der Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, wird elektrischer Strom benötigt. Im industriellen Maßstab werden normalerweise fossile Brennstoffe benötigt, um diesen Strom zu erzeugen.
Wissenschaftlern ist es gelungen, die für die Wasserspaltung erforderliche Spannung zu verringern, indem sie eine Kohlenstoffquelle in die Reaktion einführten. Doch auch bei diesem Verfahren werden Kohle oder teure Chemikalien eingesetzt, und als Nebenprodukt entsteht Kohlendioxid. Singh und seine Kollegen modifizierten das Verfahren, um stattdessen Biomasse aus gewöhnlichen Abfällen zu verwenden. Indem sie Schwefelsäure mit landwirtschaftlichen Abfällen, tierischen Exkrementen oder Abwässern mischten, erzeugten sie eine schlammartige Substanz namens Biokohle, die reich an Kohlenstoff ist.
Biokohle aus Zuckerrohrschalen, Hanfabfällen und Kuhmist
Das Team experimentierte mit verschiedenen Arten von Biokohle aus Zuckerrohrschalen, Hanfabfällen, Papierabfällen und Kuhmist. Bei Zugabe zur Elektrolysekammer verringerten alle fünf Biokohlearten die für die Umwandlung von Wasser in Wasserstoff erforderliche Energie. Die leistungsstärkste Sorte, Kuhmist, verringerte den Strombedarf um das Sechsfache auf etwa ein Fünftel eines Volt.
Der Energiebedarf war so gering, dass die Forscher die Reaktion mit einer Standard-Silizium-Solarzelle betreiben konnten, die etwa 15 mA Strom bei 0,5 V erzeugt. Das ist weniger als die von einer AA-Batterie erzeugte Strommenge. „Es ist sehr effizient, mit einer fast 35-prozentigen Umwandlung von Biokohle und Sonnenenergie in Wasserstoff“, sagte Rohit Chauhan, ein Mitautor und Postdoktorand in Singhs Labor. „Das sind Weltrekordwerte; es ist der höchste Wert, der bisher erreicht wurde.“
Um eine Netto-Null-Emission zu erreichen, muss das bei der Reaktion entstehende Kohlendioxid aufgefangen werden. Aber auch das könnte laut Singh ökologische und wirtschaftliche Vorteile bringen, etwa die Herstellung von reinem Kohlendioxid zur Karbonisierung von Getränken oder die Umwandlung von Kohlendioxid in Ethylen und andere Chemikalien, die in der Kunststoffherstellung verwendet werden.
Eine billige Art der Wasserstoffherstellung
„Es erweitert nicht nur die Nutzung von Bioabfällen, sondern ermöglicht auch die saubere Produktion verschiedener Chemikalien über Wasserstoff hinaus“, sagt UIC-Absolvent Nishithan Kani, Mitautor der Studie. „Diese billige Art der Wasserstoffherstellung könnte es Landwirten ermöglichen, ihren Energiebedarf selbst zu decken oder neue Einnahmequellen zu erschließen.“
Das Unternehmen Orochem Technologies, das die Forschung gesponsert hat, hat Patente für seine Verfahren zur Herstellung von Biokohle und Wasserstoff angemeldet, und das UIC-Team plant, die Methoden in großem Maßstab zu testen. Neben Singh, Kani und Chauhan war auch der UIC-Diplomstudent Rajan Bhawnani Mitautor der Arbeit. Weitere Co-Autoren kommen von der Stanford University, der Texas Tech University, dem Indian Institute of Technology Roorkee, der Korea University und Orochem Technologies.
