Labo Online - Analytic, Labortechnik, Life Sciences
Home> Analytik> Materialprüfung>

Wasserstoffabtrennung - maßgeschneiderte Membranen für die Umwelt

WasserstoffabtrennungMaßgeschneiderte Membranen für die Umwelt

Durch das Verbrennen fossiler Energieträger in Kohle- und Gaskraftwerken entstehen umweltschädliche Abgase. Jülicher Forscher arbeiten an Möglichkeiten, diese Abgase nicht nur zu reduzieren, sondern auch nutzbar zu machen. Sie entwickeln keramische Membranen, mit denen sich aus Kohlendioxid und Wasserdampf reiner Wasserstoff abtrennen lässt, der dann als sauberer Energieträger – zum Beispiel in Brennstoffzellen – verwendet werden kann.

sep
sep
sep
sep
Transmissionselektronenmikroskop-Aufnahme der Membran, erstellt im Ernst Ruska-Centrum. Die beiden Phasen für Protonen- und Elektronenleitung sind farblich gekennzeichnet: Bariumcerat dotiert mit Europiumoxid (BCEO) und mit Yttrium-, Europiumoxid-dotiertes Cer (CYO). (Copyright: Forschungszentrum Jülich)

Nun konnten sie die Leistungsfähigkeit dieser Membranen auf einen bisher unerreichten Wert steigern. Die Ergebnisse ihrer Forschung veröffentlichten sie in der Fachzeitschrift Scientific Reports (DOI: 10.1038/srep34773).

In technischen Systemen lassen sich mit Membranen Gase trennen – effizienter und kostengünstiger als mit etablierten Verfahren. Membransysteme ermöglichen so die Abtrennung von schädlichen Klimagasen mit vergleichsweise geringen Verlusten. Gleichzeitig lässt sich so hochreiner Wasserstoff für saubere Energieerzeugung und -speicherung gewinnen. Dies macht keramische Membranen zu einer Schlüsseltechnologie der Energiewende.

Anzeige

Eine Möglichkeit, den Wasserstoff aus Gasgemischen abzutrennen, ist eine sogenannte Zweiphasen-Membran. „Diese besteht aus zwei keramischen Materialien. Die einzelnen Körnchen haben nur eine Größe von einem tausendstel Millimeter und weisen einerseits eine ionische und anderseits eine elektronische Leitfähigkeit auf", erklärt Dr. Mariya Ivanova vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung. Die Bestandteile des Wasserstoffs, Protonen und Elektronen, werden so einzeln durch die Membran transportiert. Auf der anderen Seite setzen sie sich zu hochreinem Wasserstoff zusammen.

Möglich ist dies durch maßgeschneiderte Fehlstellen im Kristallgitter der Keramiken, die durch Protonen besetzt werden. Diese Protonen, angetrieben durch Druckunterschiede und Temperatur, werden durch das Material der Membran geleitet. „Sie docken an einem Sauerstoff-Ion an, und springen in Richtung des geringeren Drucks zum nächsten Sauerstoff-Ion, von Fehlstelle zu Fehlstelle, bis sie auf der anderen Seite wieder zu elementarem Wasserstoff formiert werden", sagt Mariya Ivanova. „Die Elektronen werden durch den zweiten Bestandteil der Keramik transportiert und sorgen für einen Ladungsausgleich."

Doch das Verfahren weist noch einige entscheidende Schwächen auf. Für die Wasserstoffabtrennung sind hohe Temperaturen notwendig, was sie energieaufwändig macht. Außerdem sind die bisher untersuchten Membranen in einer kohlenstoffhaltigen Umgebung nicht stabil und werden unbrauchbar. Auch die Rate des Wasserstoffdurchflusses ist noch nicht hoch genug.

Doch die Forscher um Mariya Ivanova haben wichtige Fortschritte gemacht: Durch das gezielte Einbringen von Fremdatomen in das Kristallgitter ist ihre Membran stabiler und bei niedrigeren Temperaturen einsetzbar. Der größte Erfolg ist jedoch der gesteigerte Wasserstoffdurchfluss. „Er ist beinahe doppelt so hoch wie bei allen bisher dokumentierten Fällen", freut sich Ivanova.

Die Jülicher Membranen für die Messungen sind nur so groß wie ein 10-Cent-Stück, und einen halben Millimeter dick. „An einen industriellen Einsatz ist noch nicht zu denken", erklärt Ivanova. „Wir forschen weiter, suchen nach dem geeigneten Material, mit großer Durchflussrate und Stabilität und geringen Kosten. Der nächste Schritt ist danach die Vergrößerung der Komponentengröße, um einen wirtschaftlichen Einsatz zu gewährleisten." Die Forscher wollen zunächst eine Fläche von 10 x 10 cm erreichen.

Originalpublikation:

„Hydrogen separation through tailored dual phase membranes with nominal composition BaCe0.8Eu0.2O3-δ:Ce0.8Y0.2O2-δ at intermediate temperatures" by Mariya E. Ivanova, Sonia Escolástico, Maria Balaguer, Justinas Palisaitis, Yoo Jung Sohn, Wilhelm A. Meulenberg, Olivier Guillon, Joachim Mayer & Jose M. Serra, DOI: 10.1038/srep34773.

Anzeige
Diesen Artikel …
sep
sep
sep
sep
sep

Weitere Beiträge zum Thema

Versuchsanlage HylyPure

Wasserstoff aus der ErdgasleitungNeue Einsatzmöglichkeiten für Brennstoffzellen

Unser Erdgasnetz bekommt eine Zusatzaufgabe: In Zukunft soll es nicht nur Erdgas, sondern gleichzeitig auch Wasserstoff transportieren. Der Wasserstoff wird einfach dem gewöhnlichen Erdgas beigemischt.

…mehr
Eine MOF-Membran mit eingebauten Fotoschaltern trennt Moleküle. Über die Lichteinstrahlung lässt sich der Trennfaktor stufenlos einstellen. (Abbildung: Alexander Knebel / Universität Hannover und Lars Heinke / KIT)

Licht steuert Trennung von MolekülenMOF-Membran mit eingebauten Fotoschaltern

Neuartige Membranen, deren Selektivität sich dynamisch mit Licht schalten lässt, haben Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und an der Universität Hannover entwickelt: In die Membranen aus metall-organischen Gerüsten (MOFs) bauten die Forscher Azobenzol-Moleküle ein.

…mehr
Prof. Dr. Martin Möller

Interaktive MaterialienZwei ERC Advanced Grants für die Aachener Leibniz-Wissenschaftler

Prof. Dr. Martin Möller, RWTH Aachen und Direktor des DWI, sowie Prof. Dr.-Ing. Matthias Wessling,  RWTH Aachen und stellvertretender DWI-Direktor, erhalten jeweils einen Advanced Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC).

…mehr
Dr. Thomas Wollert

Eppendorf Award 2015 geht an Thomas WollertAutophagozytose erforscht

Eine unabhängige Jury unter Vorsitz von Prof. Reinhard Jahn erkor Dr. Thomas Wollert, Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried, zum Gewinner des Eppendorf Award for Young European Investigators 2015.

…mehr

Weitere Beiträge zu dieser Firma

Terahertz-Emitter

Neuartige Terahertz-QuelleNeue Möglichkeiten für Scanner und Qualitätskontrolle

Terahertz-Wellen bieten zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, zum Beispiel in Körperscannern, sie sind bisher jedoch schwierig und nur eingeschränkt zu erzeugen.

…mehr
Anzeige

Bildergalerien bei LABO online

Anzeige

Jetzt den LABO Newsletter abonnieren

LABO Newsletter abonnieren

Der kostenlose LABO Newsletter informiert Sie wöchentlich über neue Produkte, Lösungen, Technologietrends und Innovationen aus der Branche sowie Unternehmensnachrichten und Personalmeldungen.

Anzeige
Anzeige

Mediaberatung