Produktion von Wasserstoff aus Wasser

Abfall der Kernindustrie dient als Katalysator

Chemiker der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) haben eine neue Verwendung für abgereichertes Uran entdeckt, das als Abfallprodukt der Kernenergie über Jahrzehnte in großen Mengen angefallen ist: Sie haben einen Uran-basierten Katalysator entwickelt, der Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff umwandelt.

Der von den FAU-Wissenschaftlern entwickelte Uran-basierte Katalysator. (Grafik: Dr. Frank W. Heinemann)

Der so produzierte Wasserstoff wiederum kann als nachhaltiger Energieträger genutzt werden, um die nur unregelmäßig zur Verfügung stehenden erneuerbaren Energien zu speichern. Ihre Ergebnisse haben die Forscher jetzt in „Nature“ veröffentlicht.*

Der weltweit stetig steigende Energieverbrauch, bei gleichzeitigem Bestreben die Umwelt nicht weiter zu belasten, stellt gegenwärtig eine der größten Herausforderungen der Menschheit dar. Im Zuge des Atomausstiegs ist die Umwandlung von erneuerbaren Energien in speicherbare und technisch nutzbare Formen besonders wichtig.

Die gewaltigen Energiemengen, die bereitgestellt werden müssen, um eine gesicherte Energieversorgung zu gewährleisten, können besonders gut durch Wasserstoff - nachhaltig produziert durch die katalytische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff - erzeugt werden. Um die katalytische Wasserspaltung im industriellen Maßstab durchführen zu können, sind jedoch neue, geeignete Katalysatoren zwingend erforderlich.

Uran: reaktionsfreudig und kostengünstig
Uran bietet aufgrund seiner hohen chemischen Reaktivität und des besonderen Atomaufbaus großes Potenzial als Katalysator. Außerdem ist das natürlich in Mineralien vorkommende Element Uran wegen seiner geringen Radioaktivität gut handhabbar und daher für die Forschung von großem Interesse. Als Abfallprodukt der Kernenergie-Industrie fällt es in Form des abgereicherten Urans (Isotop 238U) an, das eine noch geringere Radioaktivität als das natürlich vorkommende Uran aufweist. Seit mehreren Jahrzehnten versuchen daher Forscher aus aller Welt Katalysatoren auf Uran-Basis zu entwickeln.

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Wissenschaftlern des Lehrstuhls für Anorganische und Allgemeine Chemie an der FAU um Dominik Halter, Prof. Dr. Karsten Meyer und Prof. Dr. Julien Bachmann ist nun genau das gelungen: Sie haben den ersten Uran-basierten Katalysator für die elektrokatalytische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff entwickelt. „Wir haben damit zum ersten Mal gezeigt, dass es grundsätzlich möglich ist, Uran als Katalysator für die elektrochemische Erzeugung von Wasserstoff zu verwenden“, erklärt Dominik Halter.

Abfallprodukt der Kernindustrie als Rohstoffquelle
Der molekulare Katalysator ist ein Metallkomplex aus abgereichertem Uran, welcher die aktive Nutzung dieses bisher eingelagerten Abfallproduktes als Rohstoffquelle eröffnet. Die mechanistischen Studien tragen wesentlich zum allgemeinen Verständnis der Reaktivität von Uran bei und werden helfen, weitere Reaktionen, wie die Erschließung der bislang nur schwer als Rohstoff verwertbaren Gase Kohlendioxid oder Stickstoff, zu ermöglichen. Das Kohlendioxid könnte dabei nach seiner katalytischen Reduktion an Uran in Brennstoffe wie Methan oder Benzin umgewandelt werden, während die Reduktion von Stickstoff an Uran eine kostengünstige Alternative zu dem bisherigen, sehr energieintensiven Haber-Bosch-Prozess zur Ammoniak-Herstellung für Düngemittel sein könnte.
*DOI: 10.1038/nature16530

Weitere Informationen:
Dominik Halter
E-Mail: dominik.halter@fau.de

Prof. Dr. Karsten Meyer
E-Mail: karsten.meyer@fau.de

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