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Bio-elektrisches System entfernt Stickstoff aus Abwasser

Belebtschlammbecken

Bei der Behandlung von Abwasser werden organische Verunreinigungen sowie Stickstoffverbindungen in einen energieintensiven Prozeß entfernt. Die Behandlung im Belebtschlamm benötigt zum Beispiel viel Energie für das Begasen mit Luft oder Sauerstoff. Die Belüftung verursacht dabei erhebliche Kosten. Für die Belüftung sind etwa 5 kWh pro Kilogramm je nach Kläranlage erforderlich. Die mit dem Energieverbrauch verbundenen Kosten machen in einer durchschnittlichen europäischen Abwasseraufbereitungsanlage rund 500.000 Euro pro Jahr aus. Dies ist bis zu einem Drittel der Gesamtbetriebskosten von Kläranlagen. Die Stickstoffentfernung aus Abwasser muß daher wirtschaftlicher werden.

Bioelektrische Technologie spart Energie

Herkömmliche Stickstoffentfernung besteht aus einer Abfolge von Nitrifikations– und Denitrifizierungsreaktionen. Die Nitrifizierung ist die aerobe Ammoniumoxidation zu Nitrit und Nitrat und wird von ammoniumoxidierenden Bakterien durchgeführt. In der anschließenden Denitrifizierung wird das Nitrat zu Stickstoffgas (N2) umgewandelt. Neben dem kostspieligen Belüftungsprozess erfordern die verbleibenden Zwischenprodukte Nitrit und Nitrat also eine weitere Abwasserbehandlung.

Anstelle des energieintensiven Pumpens von Sauerstoff in das Abwasser könnten bioelektrische Systeme mit viel niedrigeren Kosten das gleiche Ergebnis erzielen. In solchen Systemen stellt eine Anode den Elektronenakzeptor zur mikrobiellen Ammoniumoxidation dar und ersetzt den Sauerstoff. Die Belüftung entfällt dadurch oder kann stark reduziert werden.

Vollständige Umwandlung von Ammonium auf Stickstoffgas

Wir berichteten bereits über die Verwendung eines solchen bio-elektrischen Systems, um Ammoniak aus Abwasser in Fed-Batch-Reaktoren zu entfernen. Nun veröffentlichten Forscher der Universität von Girona eine weitere Machbarkeitsstudie basierend auf dieser neuen Technologie. Das vorgestellte bioelektrische System war ein komplett sauerstoffreier Reaktor, der kontinuierlich Ammonium zu Stickstoffgas umwandeln konnte. Der Zweikammerreaktor nitrifizierte Abwasser und entzog ihm so letztendlich den Stickstoff.

Die bio-elektrisch Ammoniumentfernung wurde in einem kontinuierlich betätigten Ein-Liter-Reaktor mit einer Umsatzrate von ~ 5 g / m3 / Tag katalysiert. Eine komplexe mikrobielle Gemeinschaft mit nitrifizierenden Bakterien wie Nitrosomonas sind als Schlüsselorganismus wurde ebenfalls beschrieben.

Aus einer Anwendungsperspektive ist ein Kosten-Nutzen-Vergleich zwischen bioelektrischen Systemen und der klassischen Abwasserbehandlung erforderlich. Die Forscher zeigten, daß der selbe Grad der Stickstoffenfernung erzielt wurde (>97%). Das bioelektrische System wandelte Ammonium zu Sticke ohne eine Anreicherung von Zwischenprodukten um. Ihr System erforderte etwa 0,13 kWh pro Kilogramm Stickstoff mit einer Flußrate von 0,5 l / Tag. Die Verwendung eines bioelektrischen Systems verbraucht im Vergleich zur klassischen Belüftung mit zirka 5 kWh pro Kilogramm 35 mal weniger Energie. Gleichzeitig werden keine schädlichen Zwischenprodukte wie Nitrit- oder NOx-Gase gebildet.

Mikrobiell erzeugter Strom treibt die Ammoniumoxidation an

Der vorgestellte Artikel zeigte auch potenzielle Hinweise für den mikrobiellen Abbauweg. Das Verständnis um die zugrunde liegenden Mechanismen kann die Prozesse der anoxischen Ammoniumentfernung in bioelektrischen Systemen optimieren.

Als Abbauweg für Stickstoff schlugen die Autoren die bioelektrische Oxidation von Ammoniak über Stickstoffmonoxid vor. Dieser wurde möglicherweise von einer Mikrobe der Gattung Achromobacter durchgeführt. Auf diese Reaktion folgte vermutlich die Reduktion von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffgas. Diese Reduktionsreaktion könnte eventuell von Denitrassisoma durchgeführt worden sein. Alternativ wurden drei weitere Sekundärrouten betrachtet: Die selbe bioelektrische Oxidation, gefolgt von Anammox oder ganz ohne Stickstoffmonoxid direkt an Stickstoffgas. Eine Art Electro-Anammox kann auch möglich sein.

Bei Frontis Energy glauben wir, daß die direkte Umwandlung von Ammonium zu Stickstoffgas durch die Umkehrung der Stickstoffixierung eine Möglichkeit ist.  Gene, die fuer Elemente der Stickstoffixierung verantwortlich sind, sind in der mikrobiellen Welt allgegenwärtig. Diese Umkehrung würde die universelle biologische Energiewährung ATP generieren, anstatt sie zu konsumieren.

Es wurde gezeigt, daß Achromobacter sp. in der beschriebenen mikrobiellen Vergesellschaftung mit bis zu 60% die häufigste Mikrobe war. Im Reaktor wurden jedoch auch Anammox-Arten (Candidatus Kuenenia und Candidatus-Anammoximicrobium) so wie denitrifizierende Bakterien (z.B. Denitratisoma) nachgewiesen.

Es wurden zwei mögliche elektroaktive Reaktionen identifiziert: Hydroxylamin- und Nitritoxidation. Dies spräche ebenfalls für der Anode als Elektronenakzeptor der Ammoniumoxidation. Nitrit- und Nitrattests legten nahe, daß sowohl die Denitrifizierung als auch Anammox-basierende Reaktionen in dem System erfolgt sein könnten.

Ammonium wurde ohne Anhäufung von Zwischenprodukten vollständig zu Stickstoffgas oxidiert. Die Autoren zeigten, daß Ammonium einem kontinuierlich betriebenen bioelektrischen System entfernt werden kann. Zur Skalierung des Systems sind jedoch ein besseres Verständnis von Reaktor- und Verfahrenstechnik sowie der zugrunde liegenden mikrobiellen und elektrochemischen Vorgänge erforderlich.

Experimenteller Aufbau

Das Impfmaterial bestand aus Biomasse zweier Nitrifikationsreaktoren.

  • Der Reaktor wurde aus zwei 1-Liter-Kammern aufgebaut, die einen Anode- und Kathodenraum beinhalteten
  • Der Separator diente Anionenaustauschermembran um die Diffusion von Ammonium auf das Kathodenraum zu minimieren
  • Die Anode- und Kathodenkammern wurden mit Graphitgranulat befüllt
  • Eine Ag/AgCl-Referenzelektrode wurde im Anodenraum verwendet
  • In jeder Kammer wurden zwei Graphitstangen als Stromkollektoren platziert
  • Das System wurde im Batch- und Durchlaufmodus betrieben

Bild: 5056468 / Pixabay

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Gastrennung mit feuchtigkeitsbeständiger Verbundmembran

Wasserstoff (H2) ist ein leichter alternativer Kraftstoff mit hoher Energiedichte. Seine Effizienz in Bezug auf Umwelt und Wirtschaftlichkeit haengen jedoch stark von der Art der Erzeugung ab. Die Hauptprozesse der Wasserstofferzeugung sind entweder Kohlevergasung oder Dampfreformierung von Erdgas, bei denen das erzeugte Kohlendioxid (CO2) im letzten Schritt erzeugt wird. Normalerweise wird dieses CO2 in die Umwelt abgegeben. Der so erzeugte Wasserstoff basiert auf fossilen Brennstoffen und wird daher nicht als grüner Wasserstoff bezeichnet. Um den CO2-Fußabdruck zu verringern, ist das Abfangen des entstandenen CO2 erforderlich. Um jedoch grünen Wasserstoff zu erhalten, ist die Elektrolyse von Wasser mit erneuerbarer Energie erforderlich, wenngleich auch erneuerbare Energie nicht komplett CO2-frei erzeugt wird. Während des Elektrolyseverfahrens werden Wasserstoff und Sauerstoff an zwei Elektroden erzeugt (Sie können Brennstoffzellen-Handbuch herunterladen, um mehr ueber den Nutzen und den Einsatz von Wasserstoff als Energietraeger zu erfahren).

Effizientere Gasabtrennungsprozesse verbessern die Klimabilanz

Der produzierte Wasserstoff ist in keinem der genannten Fälle rein. Beispielsweise gibt es mit der Dampfmethan-Reformierungsreaktion viele Nebenproduktgase wie Kohlenmonoxid, CO2, Wasser, Stickstoff und Methangas.

Typischerweise ist der CO2-Gehalt des Wasserstoffgases bis zu 50%. Dadurch trägt die Wasserstoffproduktion zum Treibhauseffekt bei. Derzeit stammen rund 80% der CO2-Emissionen von fossilen Brennstoffen. Es wurde vorhergesagt, daß die CO2-Konzentration in der Atmosphäre im Jahr 2100 bis zu 570 ppm betragen könnte, was die globale Temperatur um etwa 1,9°C erhöhen würde.

Die traditionellen Prozesse der Gastrennung wie die Kältedestillation und Druckwechsel-Adsorption haben bestimmte Nachteile, wie z.B. einen hohen Energieverbrauch. Die Entwicklung hochwertiger und kostengünstiger Technologien zur Gastrennung ist daher ein wichtiger Zwischenschritt, um billige Wasserstoff herzustellen und gleichzeitig die CO2-Emissionen zu reduzieren.

2D-Materialien zur Gastrennung

Die Suche nach kostengünstigen alternativen Membran-Trennungsmethoden für die Wasserstoff-CO2-Trennung ist eine potenziell lukrative Forschung. Daher überrascht es nicht, daß zahlreiche Publikationen dieses Thema zum Gegenstand haben. Die verschiedenen Membranmaterialien zur Gastrennung sind z.B. Polymermembranen, nanoporösen Materialien, metallorganischen Mischverbindungen und Zeolith-Membranen. Ziel ist es, ein gutes Gleichgewicht zwischen Selektivität und Durchlässigkeit der Gastrennung zu erreichen. Beide sind wichtige Parameter für die Wasserstoffreinigung und CO2-Abscheidungsverfahren.

Eine im Fachblatt Nature Energy von Forschern des Nationalen Forschungsinstituts von Japan veröffentlichte Studie beschreibt nun eine Materialplattform als Basis für die Trennung von Wasserstoff aus feuchten Gasgemischen. Wie eingangs beschrieben kommen diese beispielsweise in Gasen aus fossile Brennstoffquellen oder der Wasserelektrolyse vor. Die Autoren zeigten, daß der Einbau von positiv geladenen Nanodiamanten in Graphenoxid (GO / ND+) zur Herstellung feuchtigkeitsabweisender Hochleistungsmembranen geeignet ist. Die Leistung der GO / ND+-Laminate zeichnete sich im Vergleich zu herkömmlichen Membranmaterialien insbesondere bei der Wasserstofftrennung aus.

Leistung neuer Membranmaterialien

Graphenoxidlaminate werden als wichtiger Schritt für die Wasserstoff-CO2-Trennung betrachtet. Sie gelten als hochdurchlässige (dreistellige Durchlässigkeit) und gleichzeitig hochselektive Membranen. Dennoch verlieren Graphenoxidfilme ihre attraktiven Trenneigenschaften und Stabilität unter Feuchtigkeit.

Nach dem Laminieren sind Graphenoxidverbindungen üblicherweise negativ geladen.  Sie können aufgrund elektrostatischer Abstoßung in feuchter Umgebung zerfallen. Um diese zu verhindern, griffen die Forscher auf das Ladungskompensationsprinzip zurück. Das heißt, die Autoren haben positiv und negativ geladene Füllstoffe als Stabilisierungsmittel eingebaut und die Membran mit unterschiedlich großen Graphenoxidflocken getestet. Diese Membranen wurden in trockener oder feuchter Umgebung auf Stabilität getestet. Gleich wurden die Trenneigenschaften Wasserstoff von CO2 oder Sauerstoff ermittelt.

/Die GO / ND+ Verbundmembranen behielten bis zu 90% ihrer Wasserstoffselektivität gegen CO2-Exposition über mehreren Zyklen und bei hoher Feuchtigkeit. Eine GO30ND+ Membran mit 30% positiv aufgeladenen Nanodiamanten war außergewöhnlich gut durchlässig für Wasserstoff mit mehr als 3.700 Gaspermeatineinheiten (GPU) bei gleichzeitig hoher Wasserstoff-CO2-Selektivität. Der Einbau von negativ geladenen Nanodiamanten hatte dagegen keine stabilisierende Wirkung. Der Forscher vermuteten große Hohlräume in den Nanodiamant-Systemen, die zum Verlust der Selektivität führen. Dieses Phänomen ist nicht ungewöhnlich in Verbundmembranen auf Polymerbasis, da dieselben durch ungünstige Grenzflächenwechselwirkungen charakterisiert sind.

Die Gastrenneigenschaften der Verbundmembranen wurden auch unter Verwendung eines äquimolaren Wasserstoff-CO2-Gemischs untersucht. Die Wasserstoffdurchlässigkeit sank um 6% und die Wasserstoff-CO2-Selektivität der GO30ND+-Membran wurde um 13% reduziert.

Der Stabilitätstest der Membranen mit nassen oder trockenen Wasserstoff-CO2 bzw. der Wasserstoff-Sauerstoff-Mischungen zeigte, daß die GO/ND+-Membranen umkehrbare Membraneigenschaften besaßen. Auf der anderen Seite überstanden reine Graphenoxidmembranen nicht einen einzigen vollständigen Zyklus. Dadurch wurden sie für beide Gase komplett durchlässig. Die Forscher erklärten das damit, daß die Vorteile von GO/ND+ Membranen verglichen mit reinen Graphenoxidmembranen durch Veränderungen der Porenstruktur wie deren Ausdehnung und Tortuosität verursacht wurden. Beide Eigenschaften können durch die Optimierung der Nanodiamantbeladung verbessert werden. Dies führt zu einer besseren Permeabilität ohne einen bemerkenswerten Verlust an Selektivität.

Die Röntgenbeugungsanalyse machte den Einbau der Nanodiamanten und ihrer Auswirkungen auf die Membranmikrostruktur deutlich. Das gesamten Porenvolumen war vergrößert, bei gleichzeitiger Reduzierung der durchschnittlichen lateralen Größe. Beides macht die Membranstruktur für den molekularen Transport besser zugänglich.

Dennoch müssen diese neuen feuchtigkeitsresistenten Membranen weiter verbessert werden, um mit heutigen industriellen Trennprozessen zu konkurrieren.

Image: Pixabay / seagul

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Fluordotierung verbessert Ethanolbrennstoffzellen

Direktethanolbrennstoffzellen (DEBZ) sind Brennstoffzellen, die mit Ethanol als Brennstoff betrieben werden und direkt elektrische Energie erzeugen. Obwohl sie eigentlich sehr viel zu bieten haben, werden sie noch nicht industriell gefertigt. Ethanol wird aus Biomasse durch Hefen hergestellt. Seine Oxidationsprodukte – CO2 und H2O – sind daher umweltfreundlich. Die Anwendung von DEBZ könnte aufgrund der Energieeffizienz eine lukrative Lösung für Fahrzeuge sein, so sie denn in großen Stückzehen produziert werden. Unsere derzeitige Brennstoff-Infrastruktur ist für Ethanol durch die derzeitige Beimischung schon einsatzbereit. Die DEBZ-Nutzung wäre daher eine nachhaltige, umweltfreundliche und schnell einsetzbare Alternative zu aktuellen Verbrennungsmotoren. Darüber hinaus ist Ethanol flüssig, was die Verteilung, Lagerung und Verwendung erleichtert.

Laut einer von der Internationalen Energieagentur (IEA) gesponserten Studie stellen DEBZ hohe Leistungsdichten bereit, die zwischen 50 und 185 mW / cm² liegen. Derzeit sehen sich DEBZ mit mehrfache Herausforderungen konfrontiert. Dazu zählen wie langsame Redox-Kinetik, begrenzte Leistung und hohen Kosten für die benötigten Elektrokatalysatoren.

Die beiden Hauptreaktionen in DEBZ sind:

  1. Ethanoloxidationsreaktion (EOR)
  2. Sauerstoffreduktionsreaktion (SRR)

Die träge Reaktionsgeschwindigkeit hat die Verbreitung dieser Technologie bisher verhindert. Moderne DEBZ benötigen teure platinbasierte Materialien, um diese Reaktionen zu katalysieren. Sie oxidieren jedoch Ethanol nicht vollständig zu CO2. Das begrenzt die Energieeffizienz. Eine Dieses Problem kan behoben werden, indem nicht umgesetzter Brennstoff erneut injizieren eingespeist wird. Da dies die Komplexität der Brennstoffzelle erhöht, wäre eine bessere Lösung, effizientere Katalysatoren zu finden. Um das wahre Potenzial von DEBZ auszuschöpfen sollten am besten günstigere Katalysatoren für die beiden Reaktionen gefunden werden.

Die Forscher an der University of Central Florida und ihre Kollegen experimentierten mit Palladium-Stickstoff-Kohlenstoff-Katalysatoren (Pd-N-C) und versuchten, die Leistung durch Einführung von Fluoratomen zu verbessern. Das Team benutzte alkalische Membranen und platinfreie Katalysatoren. Diese waren sowohl kostengünstiger erzeugten auch eine hohe Ausgangsleistungsleistung.

Bisherige Forschung an elektrokatalytischen Systemen ergab, daß die lokale Elektrodenkoordinierung von zentraler Bedeutung für die Aktivität von Redox-Katalysatoren aus kohlenstoffbasierten Metallnanopartikeln ist. Die neue Studie zeigte, daß die Einführung von Fluoratomen in Pd-N-C-Katalysatoren die Elektrodenkoordinierung günstig beeinflußt. Dadurch wurde sowohl Aktivität erhöht als auch Haltbarkeit der Katalysatoren verbessert. Zusammengenommen wirkte sich das positiv auf die Gesamtleistung des Brennstoffzelle aus. Die experimentellen Ergebnisse der langfristigen Stabilität sind ein vielversprechender Fortschritt gegenüber praktischen Anwendungen solcher Katalysatoren in DEBZ.

Ergebnisse

Bei Experiment mit dem neuen Katalysator wurde festgestellt, daß die Fluoratome die Kohlenstoff-Stickstoff-Bindung schwächen und die Stickstoffatome in Richtung Palladium entlassen. Diese Elektronenübertragung regulierte effizient die Elektrodenkoordinierung des Palladiums, indem aktive Palladium-Stickstoff-Zenten für katalytische Reaktionen gebildet wurden.

Die N-reiche Palladiumoberfläche förderte die Spaltung der Kohlenstoffbindungen und ermöglichte die vollständige Ethanoloxidation. Während der SRR hat die N-reiche Palladiumoberfläche nicht nur die CO2-Adsorption reduziert, sondern erzeugte auch besser zugängliche katalytische Stellen für eine schnellere Sauerstoffadsorption.

Nach Angaben der Autoren wurde ein häufig auftretendes Problem in den DEBZ – die nicht abgeschlossenen Schlüsselreaktionen – behoben. Der neue Katalysator verbesserte die Gesamtleistung der Brennstoffzelle. Die Fluordotierung erhöhte auch die Haltbarkeit des Katalysators, indem die die Korrosion die Kohlenstoffkorrosion reduziert. Auch wurde die Palladiummigration und -aggregation gehemmt.

In einer DEBZ getestet, wurde mit dem neuen Katalysator eine maximale Leistungsdichte von 0,57 W / cm² erreicht. Die Brennstoffzelle lief für mehr als 5.900 Stunden stabil. Die vorgeschlagene Strategie der Fluordotierung führte unter Verwendung anderer kohlenstoffgestützter Metallkatalysatoren generell zu verbesserter Aktivität und Stabilität.

Ausblick

Der Hauptmangel alkalischer DEBZ ist ihre Haltbarkeit. Derzeit reicht sie für praktische Anwendungen nicht aus. Darüber hinaus haben die verwendeten Anionenaustauschermembranen zwei Probleme:

  • Die strukturelle Stabilität der Membran reicht nicht aus, um sie langfristig zu verwenden
  • Katalysatorcarbonisierung erfolgt in Anwesenheit von CO2 aufgrund seiner Reaktion mit Hydroxidionen, wodurch sich der Katalysator letztendlich abnutzt.

Obwohl die DEBZ in der vorgestellten Studie für bemerkenswerten 5.900 Stunden lief, mußte die Membran nach 1.200 Stunden ausgetauscht werden. Da das Austauschen der Membranen eine vollständige Demontage der Zelle erforder, ist dies langfristig keine praktable Lösung.

Daher sollte sich die zukuenftige Forschung auf die ionische Leitfähigkeit und der Stabilität anionischer Membranen unter alkalischen Bedingungen konzentrieren. Idealerweise wird die zur Erhöhung der ionischen Leitfähigkeit verwendete Hydroxidlösung vermieden, um die Energiedichte zu erhalten und die Komplexität der Vorrichtung zu reduzieren. Festoxidbrennstoffzellen bieten eine Lösung für diese Probleme, da der Kraftstoff in gasförmiger Form oxidiert wird. Ihre keramische Membran ist jedoch zu fragil für mobile Anwendungen.

Das publizierte Experiment ist ein signifikanter Fortschritt bei der Verbesserung der Leistungsdichte von DEBZ und bringt sie damit auf einen neuen Stand der Technik. Die weitere Forschung muß jedoch die zahlreichen kleineren Hindernisse bei der langfristigen Verwendung von anionischen Membranen angehen.

Experimentelle Analyse

Verwendete Materialien

Handelsübliche Pd/C-Partikel (10%, 8 nm PD-Partikel auf Aktivkohle) sowie Pt/C (20%, 3 Nm-Pt-Partikel auf Kohle) wurden als Basiskatalysatoren verwendet. Nafion™ -Lösung (5%), Kohlepapier (TGP-H-060) und Anionenaustauschermembranen (Fumasep FAS-PET-75) kamen ebenfalls zum Einsatz.

Synthese von Heteroatom X-dotiertem Kohlenstoff (X-C, X = N, P, S, B, F)

Kohlepartikel mit reich vorhandenen Sauerstoff-Gruppen und Melamin (C3H6N6) wurden gemischt und gemahlen und schließlich pyrolysiert. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurde N-C durch Waschen mit Ethanol und Wasser erhalten. Die gleiche Methode wurde verwendet, um P-C, S-C, B-C und F-C aus Natriumhypophosphitsäure-, Schwefelpulver, Borsäure und Polyvinylidendifluorid zu synthetisieren.

Synthese von Heteroatomfluor-dotierten Kohlenstoffkatalysatoren

N-C und Polyvinyliden-Difluorid wurden gemischt und gemahlen, bevor sie in eine Lösung von Aceton und Wasser hinzugefügt wurden. Nach der Ultraschallbehandlung wurde das Gemisch in einem Ölbad unter Rückfluß erhitzt, bis es vollständig getrocknet war. Um den fluorierten Katalysatorträger zu erhalten, wurde die Mischung pyrolysiert und nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurden die Proben mit Ethanol und Reinstwasser gewaschen, gefolgt von Vakuumbehandlung. Die gleiche Methode wurde für die anderen Vorstufen verwendet.

Mikrowellenreduktion wurde verwendet, um den Palladiumkatalysator auf dem Katalysatorträger zu synthetisieren. Der Palladiumanteil in allen Proben war 1%, was durch Röntgenspektroskopie bestätigt wurde.

Elektrochemische Charakterisierungen.

Für die elektrischen Messungen wurden entweder eine glasartige Kohlenstoff-Ring-Platten-Elektrode oder eine rotierende Ringscheibenelektrode verwendet. Die Fumasep-Membran wurde als Anionenaustauschermembran verwendet, und durch Hydroxylgruppen modifiziert.

Literatur

Chang et al., 2021, Improving Pd–N–C fuel cell electrocatalysts through fluorination-driven rearrangements of local coordination environment. Nature Energy 6, 1144–1153 https://doi.org/10.1038/s41560-021-00940-4

Bildnachweis: P_Wei, Pixabay

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Verbesserte Leistung von Brennstoffzellen mit Anionenaustauschermembran und unedlen Katalysatoren

Um Kosten zu reduzieren, werden die Katalysatoren für Niedertemperatur-Brennstoffzellen ständig verbessert. Nur wenn solche Brennstoffzellen mit Verbrennungsmotoren konkurrieren koennen, werden sie ein alternativer Antrieb im Strassenverkehr sein. Das US-Energieministeriums (DOE) als fuer die Kosten von mobilen Brennstoffzellen 30 USD / kW vorgegeben. Die aktuellen Kosten einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle liegen jedoch zwischen 45 und 51 USD / kW.

Angesichts der Herausforderung, die Produktionskosten für Brennstoffzellen zu senken, haben Forscher vorgeschlagen, den pH in Brennstoffzellen von einem saur auf alkalisch zu ändern. Dafür muß die Protonenaustauschmembran in einer Brennstoffzellen durch eine Anionenaustauschmembran ersetzt werden. Der große Vorteil von Anionenaustauschmembranen gegenüber Protonenaustauschmembranen ist der günstigere Preis. Darüber hinaus könnte ein breiteres Spektrum an Materialien verwendet, sowie die Kinetik der Sauerstoffreduktionsreaktion verbessert werden. Doch saure Bedingungen korrodieren Nichtedelmetalle schnell, während gleichzeitig die hohe Beladung mit Platingruppenmetallen-Katalysatoren reduziert werden muß.

Synthese des Fe-N-C-Elektrokatalysators und seiner Struktur

Forscher der University of South Carolina, Columbia (USA) veröffentlichten im Fachheft Nature Energy einen Artikel über die verbesserte Leistung kostengünstiger Fe-N-C-Kathodenkatalysatoren mit aktiven Fe-Nx-Zentren in Anionen-Brennstoffzellen. Der Fe-N-C-Katalysator wurde im Hinblick auf zwei wichtige Aspekte hergestellt: Erhöhung der durchschnittlichen Porengröße (im Bereich von 5-40 nm sowie 1 µm) und des Graphitierungsgrades. Beide Maßnahmen reduzieren die Hydrophobie der Katalysatorschicht. Um die Leistung ihres Katalysators zu optimieren, durchliefen die Forscher einen iterativen Erkenntnisprozeß unter Verwendung verschiedener Charakterisierungstechniken für ihren neuen Katalysator. Energiedispersive Spektroskopie wurde verwendet, um sicherzustellen, daß die Katalysatorzusammensetzung homogen war. Eisenatome im Katalysator waren als einzelne Atome vorhanden, was durch Rastertransmissionselektronenmikroskopie bestätigt wurde.

Katalysatorleistung und Integration in AEM-Brennstoffzellen

Die von den Wissenschaftlern durchgeführten elektrochemischen Analysen ergaben, daß der neue Fe-N-C-Katalysator durch direkte O2-Reduktion eine hohe ORR-Aktivität erreicht. Bei dieser Reduktionsreaktion reagieren vier Elektronen direkt einem Sauerstoffmolekül und ohne den Wasserstoffperoxid-Zwischenschritt zu Wasser. Die Ausbeute an Wasserstoffperoxid als Funktion des Potentials betrug über den gesamten Versuchsbereich weniger als 1% – ein sehr gutes Ergebnis für ein Nichtedelmetall. Die Stromdichte der Reaktion betrug 7 mA / cm2.

Der Fe-N-C-Katalysator wurde an der Kathode einer Anionen-Brennstoffzelle für Wasserstoff und Sauerstoff verwendet. Es wurde eine hohe Spitzenleistungsdichte von 2 W / cm2 beobachtet. Diese Leistung ist der höchste berichtete Wert für Polymermembran-Brennstoffzellen (Anionen- und Protonenmembranen) mit Nichtedelmetallen. Vor allem die 4-fach geringere Beladung mit dem Fe-N-C-Katalysator im Vergleich zu früheren Versuchen macht diesen Brennstoffzellentyp wirtschaftlich interessant. Darüber hinaus war der Elektrokatalysator bei Spannungen von 0,6 V über mehr als 100 Stunden stabil.

Um die Machbarkeit einer Fe-N-C-Kathode für eine praktischere Anwendung zu bewerten, wurde die Brennstoffzelle mit Luft als Oxidationsmittel der Kathode getestet. Die erreichte Stromdichte betrug 3,6 mA / cm2 bei 0,1 V mit einer Spitzenleistungsdichte von über 1 W / cm2. Diese Ergebnisse sind erneut die höchsten berichteten Werte im Vergleich zu anderen Anionen-Brennstoffzellen mit Wasserstoff und Luft.

Brennstoffzellen im Vergleich mit den DOE-Kriterien

Um einen realistischeren Brennstoffzellenbetrieb mit hinsicht auf die DOE-Ziele zu simulieren, mußten verschiedene Zellkonfigurationen verglichen werden. Dafür wurden Zelle mit einer die Anode mit 0,6 mg Pt / cm2 und die Kathode mit 1 mg Fe-N-C pro cm2 untersucht. Die gepaarte Zelle wurde unter Bedingungen betrieben, die dem DOE-Protokoll ähnlich waren: 0,9 V, Zelltemperatur 80°C und 100 kPa Partialdruck von O2 und H2. Die Stromdichte bei 0,9 V betrug ca. 100 mA / cm2. Dies war mehr als das Doppelte des DOE-Ziels.

Schließlich wurde die nächste Konfiguration unter Verwendung des DOE2022-Protokolls entworfen. Dieses gibt vor, daß die gesamte Edelmetallbeladung weniger als 0,2 mg Pt / cm2 betragen sollte. Die Vorgabe wurde durch die Integration einer Fe-N-C-Kathode mit niedrig beladenen PtRu/C-Anoden (0,125 mg PtRu pro cm2) erreicht. Diese Zelle erreichte im Wasserstoff-Sauerstoff-Betrieb eine Spitzenleistungsdichte von 1,3 W / cm2. Die Umrechnung dieses Wertes auf eine spezifische Ausgangsleistung von 16 W pro mg Pt ergibt den höchsten Wert aller jemals berichteten Anionen-Brennstoffzellen.

Es wurde gezeigt, daß der Fe-N-C-Elektrokatalysator mit edelmetallbasierten Katalysatoren für Anionen-Brennstoffzellen konkurrieren kann. Diese Kombination war bemerkenswert leistungsfähig in Bezug auf Aktivität und Haltbarkeit.

Methodik und Elektrodenvorbereitung

  • Ein rotierendes Ringscheibensystem (RRDE), wurde zur Evaluierung der elektrochemischen Leistung für die Sauerstoffreduktionsreaktion des Fe-N-C-Katalysators verwendet.
  • Der Fe-N-C-Katalysator wurde mit dichter gepackten Fe-Nx-Zentren hergestellt. Ein höherer Kohlenstoffanteil führt auch zu einer höheren Anzahl von Katalysatorstellen in den Graphenschichten, die für die Insertion aktiver Zentren verfügbar sind.
  • Zum Vergleich wurde eine Pt/C-Elektrode analysiert.
  • In der elektrochemischen Zelle waren folgen Elektroden untergebracht:
    • Arbeitselektrode – der Katalysator wurde auf die GC-Scheibe gegossen und mit 5% Nafion® stabilisiert;
    • Als Gegenelektrode wurde ein Platingewebe und als Referenzelektrode Ag/AgCl verwendet, als Elektrolyt wurde 0,1 M KOH verwendet.
  • Für die Tests in einer Anionen-Brennstoffzelle wurden Gasdiffusionselektroden verwendet: die Anode wurde mit niedrig beladenem PtRu/C-Material hergestellt (0,125 mg PtRu pro cm2, 0,08 mg Pt pro cm2), während für die Kathode der Fe-N-C-Katalysator verwendet wurde – beide wurden durcbh Aufsprühen von Katalysatortinte auf eine Gasdiffusionsschicht hergestellt.

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Wasserentsalzungs- und Fluoridionen-Entfernung mit Elektrodialyse

Sauberes Trinkwasser ist für unsere Gesundheit von größter Bedeutung. Trotz seiner zentralen Rolle für unser aller Leben bedroht die weltweit fortschreitende Industrialisierung die Süßwasserressourcen auf der ganzen Welt. So ist zum Beispiel Fluorid, wenngleich ein wesentliches Spurenelement, gleichzeitig auch Ursache für gefährliche gesundheitliche Schäden im Menschen. In größeren Mengen über längere Zeit vom Körper aufgenommen, verursacht Fluorid Fluorose, ein stark die Knochen schädigende Vergiftung.

Fluorid-haltige Mineralien im Gestein kommen besonders häufig in Indien vor. Durch Auswaschung gelangt Fluorid in anliegende Grundwasserleiter und so in den Boden. Die Konzentration von Fluoridionen in einem indischen Grundwasser kann mehr als 30 mg/l betragen. Giftige Konzentrationen von 20-80 mg / Tag über einen Zeitraum von 10 bis 20 Jahren verursachen irreparable Schäden am menschlichen Körper.

Fluoridionen im Grundwasser werden zur Wasseraufbereitung durch Membranen entfernt. Diese Membrane verschmutzen jedoch leicht, z.B. Bakterien in Abwasser oder andere Ablagerungen und können so ernsthafte Bedrohung für der öffentlichen Gesundheit darstellen. Daher liegt ein besonderer Fokus bei der Entwicklung von fluoridentfernenden Membranen auf der Verhinderung solcher Verschmutzugen, zum Beispiel in dem man bakterielles Wachstum verlangsamt.

Zur Wasseraufbereitung ist die Herstellung von antimikrobiellen Oberflächenmodifikation zur Herstellung hochwertigen Membranen für Ultrafiltration, Nanofiltration und Umkehrosmose ein wichtiger Schritt.

Elektrodialyse wird häufig zur Entfernung von Kontaminationen aus Wasser verwendet, da nur wenig Energie benötigt wird. Bei Elektrodialysemembranen sind Salzablagerungen ein wirtschaftliches Risiko, das es zu vermeiden gilt. Salzablagerungen können gehäuft auftreten, wenn die Konzentration zweiwertiger Ionen zu hoch ist. Hinzu kommt das Risiko von Biofouling durch mikrobielles Wachstum. Beide Vorgänge beeinträchtigen die Leistung von Elektrodialysemembranen, was widerum wirtschaftliche Verluste verursacht, da die Membranen gereinigt oder ersetzt werden müssen. Für eine effiziente Wasseraufbereitung ist es daher von Bedeutung, die thermischen und mechanischen Eigenschaften der Membranen zu verbessern.

Eine Gruppe von Wissenschaftlern haben eine zusammengesetzte Anionenaustauschmembran für Wasserentsalzungs- und Fluoridionenentfernung durch Elektrodialyse hergestellt, die über verbesserte antimikrobiellen Eigenschaften verfügt. Ihre Ergebnisse habe sie im Fachmagazin ACS ES&T Water publiziert. Das Konsortium bestand aus Forschern der Akademie für Wissenschaft und Innovation in Ghaziakad, Indien, und der Universität von Tokio.

Ihre Anionenaustauschmembranen basiert auf vernetzten Terpolymeren mit eingebauten Silber-Nanopartikeln zur Verlangsamung mikrobiellen Wachstums. Die Membrane sind geeignet für die Wasserentsalzung und Fluoridionentfernung durch Elektrodialyse. Die Herstellung der Terpolymere und Polyacrylnitril-Copolymere erfolgte durch N-Alkylierung unter Verwendung verschiedener Alkylhalogenide. Die N-Alkylierung des Terpolymers durch verschiedene Alkylgruppen beeinflußte die Wasseraufnahme, Hydrophobie, den Ionentransport und die ionische Leitfähigkeit der der Membran. Lange Alkylgruppen erhöhten die Wirksamkeit der Fluoridentfernung sowie die oxidative und physische Stabilität der Membranen. Die Eignung der hergestellten Verbundmembranen wurde für die Entfernung von gefährlichen Fluoridionen (5,5 und 11 mg/l) aus einer Natriumchloridlsung (2 g/l) durch Elektrodialyse bei einer Spannung von 2 V überprüft.

Der Einbau von 0,03% Silber-Nanopartikeln in das quaternisierten Polymer bewirkte die gewünschten antimikrobiellen Eigenschaften. Die einheitliche Verteilung der Silbernanopartikel in der Flüssig- und Festphase wurde durch Transmissionselektronenmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie nachgewiesen. Die Anheftung von Bakterien wurde durch Koloniezaehlung ueberprueft war 100-fach verringert, wenn Silbernanoprtikeln in die Membran eingebaut wurde. Die verringerte mikrobielle Anheftung auf die Membranoberfläche ist somit auf die antimikrobielle Wirkung der Silbernanopartikel zurückzuführen. Nur 0,03% Silbernanopartikel reichten aus, um gewünschte antimikrobielle Wirkung in der Membran zu erzielen.

Bei einer Wassertemperatur von 50°C trat nach 15 Tagen keine nachweisbare Auslaugung der Silberpartikel auf. Diese Arbeit stellt somit eine verbesserte Anionenaustauschmembran mit antimikrobieller Eigenschaft für eine effiziente Entfernung von Fluor sowie die Entsalzung durch Elektrodialyse dar.

Details zur Methodik

Der gesamte Syntheseprozeß erfolgte in vier Schritten:

  • Schritt 1: Silbernitrat wurde mit entionisiertem Wasser verdünnt, um eine 30 mM-Lösung herzustellen
  • Schritt 2: Terpolymer und quaternisierte Terpolymere wurden durch freie radikalische Polymerisation hergestellt
  • Schritt 3: Verbundzusatzstoffe wurden durch die Reduktion von Silbernitrat mit Natriumborhydrit in Gegenwart von Dimethylformamid hergestellt
  • Schritt 4: die Membran wurde mit den Silbernanopartikeln vernetzt

Charakterisierung der Anionenaustauschmembran

Die Membran wurde mithilfe zahlreicher analytischer Methoden charakterisiert:

  • UV-Vis und IR-Spektroskopie
  • Einbau der Silbernanopartikel durch Rasterelektronenmikroskopie, Rasterkraftmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie
  • Thermische Stabilität, Zugeigenschaften, Loeslichkeit sowie weiter physikochemische und elektrochemische Eigenschaften der Silbernanopartikel-Verbundpolymere wurden untersucht
  • Wasserentsalzungs- und Fluoridentfernung
  • Die Wirksamkeit der Silbernanopartikel auf mikrobielle Anheftung
  • Energieverbrauch und -effizienz während der Wasserentsalzungs- und Fluoridentfernung durch die Verbundmembran
  • Die Membranstabilität in Bezug auf pH, Temperatur und Fentons Reagenz wurde bewertet

Referenz:

Pal et al. 2021 “Composite Anion Exchange Membranes with Antibacterial Properties for Desalination and Fluoride Ion Removal” ACS ES&T Water 1 (10), 2206-2216, https://doi.org/10.1021/acsestwater.1c00147

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Multifunktionaler Iridium-Katalysator für Elektrolyse und Brennstoffzellen

Ein Großteil des globalen Energiebedarfs wird heute durch fossilen Brennstoffen abgedeckt. Gleichzeitig sagt die Internationale Energieagentur voraus, daß sich der weltweite Energiebedarf bis 2040 verdoppeln wird. Dies ist hauptsächlich durch den zusätzlichen Bedarf  in Schwellen- und Entwicklungsländern begründet.

Um den wachsenden globalen Energiebedarf zu bedienen und fossile Brennstoffe zu ersetzen, hat sich bei politischen Entscheidungsträgern die Meinung durchgesetzt, daß alternative, saubere und erneuerbare Energiequellen die beste Lösung sind. Solche erneuerbaren Energiequellen können Strom aus Solar-, Windenergie oder Geothermie sowie Wasserkraft sein. Fuer letztgenannte stehen jedoch keine zusätzlichen Standorte in Industrieländern zur Verfügung.

Während Sonnen- und Windenergie an den meisten Orten der Welt zu mehr oder weniger angemessenen Kosten verfügbar sind, ist ihr größter Nachteil, daß sie instet verfuegbar, schwer zu lagern und zu transportieren sind. Außerdem kann man damit keine Autos, Flugzeuge oder Schiffen betanken. Die Umwandlung von Sonnen- und Windenergie in Wasserstoffgas könnte ein eleganter Weg aus diesem Dilemma sein. Der Rohstoff Wasser stünde reichlich zur Verfügung. Die Diversifizierung des Energiemixes durch Hinzufügen von Wasserstoff zu erschwinglichen Kosten kann mit geringeren Emissionen zudem effizienter sein. Daher wächst das Interesse an Elektrolyse und Brennstoffzellen stetig.

Der gößte Anteil des heute verbrauchten Wasserstoffs wird durch Dampfreformierung von Erdgas hergestellt. Wasserstoff kann jedoch auch durch Elektrolyse von Wasser gewonnen werden. Elektrolyse erfolgt in zwei Elektrodenreaktionen: Der Wasserstoffreaktion (WR) an der Kathode und der Sauerstoffreaktion (OR) an der Anode.

Brennstoffzellen kehren die Elektrolysereaktionen um indem sie Wasserstoff und Sauerstoff wieder zusammenfügen, um Wasser zu erhalten. Damei wird elektrische Energie freigesetzt. Während es verschiedene Arten von Brennstoffzellen gibt, werden diejenigen, die üblicherweise mit Wasserstoff als Brennstoff verwendet werden, als Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen oder PEMFC bezeichnet. Die PEM-Abkürzung wird auch häufig für Protonenaustauschermembranen verwendet, die aus Polymeren hergestellt werden können, beispielsweise Nafion™. In PEMFC wird die Energie durch die Wasserstoffoxidationsreaktion (WOR) an der Anode- und Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) an der Kathode freigesetzt. Um wirtschaftlich machbar zu werden, gibt es noch technische Herausforderungen von Wasserelektrolyzern und Brennstoffzellen, um zu überwinden. Einige technische Probleme führen zu einem ernsthaften Systemabbau.

Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) werden in die Brennstoffzelle gepumpt, wo sie durch zwei Elektroden und das Elektrolyt zu Wasser verbrannt werden.

Eine Studie, die Forscher der Technischen Universität Berlin und des Korea Institute of Science and Technology in Nature Communications veröffentlicht wurde, schlägt einen neuartigen Iridium-Elektrokatalysator mit multifunktionalen Eigenschaften und bemerkenswerter Reversibilität vor. Zwar ist Iridium ebenfalls ein Edelmetall der Platin-Gruppe-Metalle. Der neuartige Iridium-Katalysator wurde jedoch für die Prozesse ausgelegt, in denen sich elektrochemische Reaktionen schnell ändern, wie beispielsweise die Spannungsumkehr der Wasserelektrolyse- und PEMFC-Systeme. Dies würde die beiden Systeme in einem vereinen und somit ein großer wirtschaftlicher Nutzen gegenüber bestehenden Lösungen sein.

Bestehende Herausforderungen

Überraschend sich ändernde Betriebsbedingungen wie zum Beispiel das plötzliche Abschalten der Elektrolysespannung führen zu erhöhten Wasserstoffelektrodenpotentialen. Das führt wiederum zum Zerfall der Wasserstoff produzierenden Elektroden.

In Brennstoffzellen kann an der Anode die Kraftstoffmangel auftreten, was zu einer Spannungsumkehr führt. Letztendlich bewirkt dies die Ermüdung der Brennstoffzellenkomponenten wie zum Beispiel des Katalysatorträgers, der Gasdiffusionsschicht und Flußfeldplatten. Um einen beständigen Wasseroxidationskatalysator an die Anode der PEMFCs einzuführen, um die Sauerstoffreaktion zu beschleunigen. Die Wasseroxidation konkurriert letztlich mit der Kohlenstoffkorrosion als Elektronenquelle.

Gestaltung eines einzigartigen multifunktionalen iridiumbasierten multifunktionalen Katalysators

Für die Studie wurde ein kristalliner multifunktionaler Iridium-Nanokatalysator unter Berücksichtigung der genannten Herausforderungen für Elektrolyse und Brennstoffzellen entworfen.

Der Grund, washalb ein Material basierend auf Iridium ausgewählt wurde, ist bemerkenswerte Katalyseaktivität der Sauerstoffreaktion bei gleichzeitig guter Wasserstoffbildung und -oxidation. Es ist ein hervorragendes Material für Anoden und Kathoden in Elektrolyseuren sowie für Brennstoffzellen-Anoden. Um eine Referenz fuer ihren IrNi-Nanopartikel auf Kohlenstoff mit hoher Kristallinität (IrNi/C-HT) zu haben, synthtisierten die Wissenschaftler eine Variante mit niedriger Kristallinität (IrNr/C-LT). Dabei wurde ein spezielles Imprägnierverfahren verwendet.

Die Forscher zeigten, daß die Oberfläche von IrNi/C-HT reversibel zwischen dem metallischen und mineralischen IrNiOx-Zustand umgewandelt wurde. Bei Sauerstoffentwicklung, das heißt bei anodische Wasseroxidation, bildeten die kristallinen Nanopartikel eine dünne IrNiOx-Atomschicht. Diese Oxidschicht verwandelte sich reversibel in metallisches Iridium, wenn sie auf kathodische Potentiale zurückkehrt. Die Umkehrung ermöglicht es dem Katalysator, seine hohe Wasserstoff-Redox-Aktivität wiederzuerlangen.

Die Experimente zeigten auch, daß die Leistung von IrNi/C-LT nach der Sauerstoffbildung stark abnimmt. Der Katalysatorabbau war auf die irreversible Zerstörung der amorphen IrNiOx-Oberfläche zurückzuführen.

In situ-Aufnahmen mithilfe der XANES-Spektroskopie und der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) an der dünnen IrNiOx-Schicht bestätigten eine Zunahme der d-Bandlöcher während Sauerstoffreaktion. Diese wurden fuer die hervorragende Wasseroxidationseigenschaften IrNi/C-HT-Katalysators verantwortlich gemacht. Die dünne IrNiOx-Schicht wurde wie erwartet reversibel in die metallische Oberfläche umgewandelt. Die mechanistische Untersuchung der reversiblen katalytischen Aktivität der IrNiOx-Schicht der Brennstoffzelle wurde elektrochemisch und durch Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) untersucht. Auch hier wurde gezeigt, daß die reversiblen IrNiOx-Schichten regeneriert wurden.

Darüber hinaus wurden die Leistung und katalytische Umkehrbarkeit synthetisierter Elektrokatalysatoren getestet. Die Wasserstoffoxidation und Sauerstoffbildung wurden in einer Brennstoffzelle unter Kraftstoffmangel untersucht. Unter Verwendung der Spannungsumkehrung wurde die Brennstoffzelle in einen Elektrolyseur umgewandelt.

Kraftstoffmangel wurde in einer PEM-Brennstoffzelle mit IrNi/C-HT und IrNi/C-LT herbeigeführt. Die anfängliche Brennstoffzellenleistung von IrNi/C-LT und -HT war jedoch aufgrund der auftrtenden Wasserstoffoxidation und der speziellen Metallzusammensetzung niedriger als der des kommerziellen Pt/C-Katalysators.

Es wurde außerdem gezeigt, daß der IrNi/C-HT-Katalysator seine bifunktionelle katalytische Aktivität in der Brennstoffzelle / dem Elektrolyseur  beibehielt. Der neue Ansatz soll nun zukünftige Forscher ermuntern, ebenfalls die Umkehrbarkeit von Nanokatalysatoren untersuchen. Eine Vielzahl von elektrochemischen Reaktionen werden so ermöglicht, angefangen mit der Spannungsumkehr in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren.

Bei Frontis Energy freuen wir uns auf den neuen Iridium-Katalysator in unserem Shop, sobald dieser verfügbar ist.

Foto: Iridium / Wikipedia

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Schockelektrodialyse entfernt Blei aus Wasser

Blei wurde im Zuge der industriellen Revolution und dem damit verbundenen starken Anwachsen von Ballungszentrum standardmäßig zur Versorgung der Bevölkerung mit Trinkwasser in Rohrleitungen eingestzt. Der Grund für die weite Verbreitung war die plastische Verformbarkeit der Leitungen beim Endabnehmer. Die negativen Gesundheitseffekte sind zwar schon seit den 1920er Jahren bekannt, doch die Umrüstung weiter Teile der Infrastruktur industrialisierter Staaten war und ist eine enorme wirschaftliche Herausforderung. Bleiverbindungen zirkulieren daher weiterhin mit dem Trink- und Abwasser in Leitungsystemen. Die Stadt Flint im Nordwesten Detroits war z.B. eine von der Presse viel beachtete Gemeinde, die über lange Jahre mit zahlreichen Bleivergiftungen zu kämpfen hatte und noch hat (z.B. Flint Water Crisis). Gelöstes Blei ist schon in sehr kleinen Konzentration hochgiftig und lagert sich zudem im Körper ab.

Die größte Herausforderung beim Entfernen von Blei aus dem Wasserkreislauf ist, daß es in der Regel in sehr geringen Konzentrationen gelöst ist. Andere Verbindungen “maskieren” das gelöste Blei, was eine Entfernung schwierig macht. So ist z.B. Natrium zehntausend mal höher konzentriert, als Blei. Blei kann zwar heute aus Wasser durch Umkehrosmose oder Destillation entfernt werden, doch sind diese Prozesse wenig selektiv und damit ineffektiv. Sie verbrauchen sehr viel Energie, was wiederum eine Umweltbelastung darstellt und teuer ist. Zudem sind die ebenfalls im Wasser vorhanden anderen Mineralien gesund und daher gewünschte Bestandteile.

Ingenieure von Massachussetts  Institute of Technology (MIT) in Boston eine weitaus energieeffizientere Methode zur selektiven Entfernung von Blei aus Wasser entwickelt und ihre Ergebnisse im Fachjournal ACS EST Water publiziert. Das neue System kann Blei in Privathaushalten oder Industrieanlagen aus dem Wasser entfernen und entzieht es so dem Wasserkreislauf. Durch seine Effizienz ist es wirtschaftlich attraktiv und bietet seinen Anwendern einen klaren Vorteil.

Die Methode ist der vorläufig letzte Schritt in einer Reihe von Entwicklungsstufen, angefangen mit Entsalzunganlagen und später weiterentwickelt zu radioaktiver Dekontaminierung. Nun haben die Ingenieure mit Blei einen attraktiven Markt gefunden. Es ist das erste System, das auch für private Haushalte geeignet ist. Der neue Ansatz verwendet einen Prozeß, der von den MIT-Ingenieuren Schockelektrodialyse genannt wurde. Er ist im Wesentlichen der klassischen Elektrodialyse sehr ähnlich, da geladene Ionen in einem elektrischen Feld durch den Elektrolyten migrieren. Im Ergebnis werden Ionen auf einer Seite angereichtert während sie der anderen entzogen werden.

Der Unterschied der neuen Methode ist, daß das elektrische Feld in einer Art Schockwelle durch den Elektrolyten wandert und die Ionen mit sich zieht. Die Stoßwelle breitet sich von einer Seite zur anderen mit zunehmender Spannung aus. Der Prozeß führt zu einer Verringerung der Bleikontamination um 95%. Ähnliche Methoden werden auch zur Dekontaminierung von lösungsmittelbelasteten Böden verwendet. Grundsätzlich macht die Schockwelle den Prozeß wesentlich günstiger als bestehende Prozesse weil die elektrische Energie gezielt Blei entfernt und andere Mineralien größtenteils im Wasser zurückläßt. Dafür wird sehr viel weniger Energie verbraucht.

Wie üblich bei Prozessen aus Forschungslaboren, ist auch die Schockelektrodialyse noch zu ineffektiv um wirtschaflich im großen Maßstab eingesetzt werden zu können. Die Skalierung wird noch einige Zeit in Anspruch nehmen. Doch das starke Interesse bei potentiellen Anwendern wird die Skalierung sicherlich beschleunigen. Zum Beispiel kann ein Haushalt, dessen Wasserversorgung stark mit Blei belastet ist, das hier vorgestellte System im Keller das Wasser langsam durch die Zuleitungsrohre führen, da hohe Flußraten nur zu bestimmten Zeiten am Tag auftreten. Dazu ist ein Wassereservoir notwendig, das gereinigtes Wasser vorrätig hält. Das kann eine schnelle und günstige Lösung für Gemeinden wie Flint sein.

Der Prozeß könnte auch für einige industrielle Zwecke angepaßt werden. In der Bergbau- und Ölindustrie wird z.B. viel stark belastetes Abwasser produziert. Man könnte die so entfernten Metalle sogar als Resource dem Markt zuführen, um so wirtschaftliche Anreize für die Abwasserreinigung zu schaffen. Allerdings sind direkte Vergleiche mit bestehenden Methoden schwierig, da die Langlebigkeit des entwickelten Systems erst noch gezeigt werden muß.

Bei Frontis Energy sind wir begeistert von der Idee, wirtschaftliche Anreize für umweltverträgliche Prozesse zu schaffen und sind schon gespannt auf die Kommerzialisierung des neu entwickelten Systems.

(Foto: Wikipedia)

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Echtzeitaufnahmen von Lande-Entladezyklen in Lithiumbatterien

Partikel in Lithium-Ionen-Batterien spielen eine wichtige Rolle bei Freisetzung von positiv und negativ geladenen Lithium-Ionen. Gleichzeitig is die Bewegung dieser Ionen ein limitierender Faktor für die Lade- und Entladezyklen. Um schnelladefähige Batterien zu entwickeln, müssen Ingenieure und Wissenschaftler besser verstehen, wie sich Ionen in Batterien bewegen. Forscher der Universität Cambridge im Vereinigten Königreich haben nun einen bildgebenden Ansatz im Fachblatt Nature veröffentlicht, der die Ionenbewegung in Batteriematerialien in Echtzeit verfolgt. Diese Technologie hilft, die Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien im Submikrometerbereich besser zu verstehen. Dieses Verständnis wird letztendlich dabei helfen Batterien zu konstruieren, die sich in nur wenigen Minuten aufladen.

Wissenschaftler müssen den Ionenfluß in einer prorösen Matrix besser verstehen, um leistungsfähigere Batterien zu bauen. Allerdings würde nicht nur die Batterieforschung davon profitieren, sondern auch andere galvanische Zellen wie Brennstoffzellen oder Elektrolyseure. Bisher konnten traditionelle bildgebende Ansätze zur Untersuchung des LithiumIonenfluß’ die schnelle Dynamik in schnelladenden Batterien nicht erfassen.

Das Problem

In Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus zwei poröse Elektroden aus Partikeln hergestellt werden: Kohlenstoff, einem Metalloxid und einem Bindemittel. Die Kohlenstoff- und Metalloxide fungieren als Elektronenleiter, während das Bindemittel die Partikel aneinander bindet. Ein Elektrolyt trennt die beiden Elektroden und dient als Leitmedium für Ionen, die von einer Elektrode zur anderen wandern.

Um die interne Ionendynamik von Batterien für jeden dieser Teilprozesse verfolgen zu können, müssen Batterieingenieure die physikalischen und chemischen Wechselwirkungen mindestens zehnmal schneller abbilden. Dies ist vergleichbar mit der der Belichtungszeit einer Kamera für Sportaufnahmen. Ist die Belichtungszeit zu lang, produziert die Kamera verschwommene Bilder. Von besonderem Interesse für die Batterieentwicklung sind die Geometrie der aktiven Partikel selbst und die Struktur der porösen Elektroden.

Jedes Batterie-Bildgebungsverfahren hat für jede Batteriefunktion eine spezielle Aufnahmezeit. Bisherige Bildgebungsverfahren benötigten einige Minuten, um ein Bild zu sammeln. Daher können traditionelle Verfahren nur Prozesse abbilden, die viele Stunden in Anspruch nehmen.

Was is neu an dem Konzept?

Bemerkenswert ist, daß die neuartige Technik der Forscher weniger als eine Sekunde benötigt, um ein Bild aufzunehmen, wodurch wesentlich schnellere Prozesse als bisher möglich untersucht werden können. Als bildgebendes Werkzeug ist es auch in der Lage, Batterien während des Betriebs zu untersuchen und verfügt über eine ausreichende räumliche Auflösung. Diese Auflösung im Submikrometerbereich ist erforderlich, um zu verfolgen, was in einem aktiven Partikel passiert. Darüber hinaus kann der Ansatz durch den Vergleich der Entwicklung von in der Elektrode räumlich getrennten aktiven Partikeln mit Ionenkonzentration die Ionendynamik auf der Elektrodenskala abbilden.

Methodik

Das Forschungerteam paßte ein bisher in den Biowissenschaften verwendetes Verfahren der Lichtmikroskopie an, um die Lithium-Ionen-Mobilität in Batteriematerialien zu verfolgen. Bei dem Verfahren wurde ein Laserstrahl auf elektrochemisch aktive Batteriepartikel gerichtet, die Lithium-Ionen speichern oder freisetzen. Anschließend wurde das Streulicht analysiert. Da zusätzliches Lithium gespeichert wurde, variierte die lokale Elektronenkonzentration in der Partikel. Dadurch ändert sich auch das Streumuster. Die lokale Änderung der Lithiumkonzentration korrelierte mit dem zeitlichen Verlauf der Streusignale und konnte zur Lokalisierung der Partikel genutzt werden.

Während der Lade-Entlade-Zyklen speichern und geben die „aktiven“ Materialien der Batterieelektroden Ionen ab. Die Forscher beschreiben in ihrer Veröffentlichung einen Echtzeit-Bildgebungsansatz, der von aktiven Partikeln gestreutes Licht verwendet, um Änderungen der Ionenkonzentration zu verfolgen. Die Intensität der Streuung schwankt mit der lokalen Ionenkonzentration. In ihrem Ansatz bildeten die Streumuster im Laufe der Zeit den Ionfluß des Systems ab. Da zusätzliche Ionen in einem Partikel gespeichert wurden, zeigten die Farben der Konturen die Veränderung der Streuintensität über die letzten 5 Sekunden an: Rot bedeutete eine Zunahme der Intensität, während Blau eine Abnahme andeutete. Die Verschiebungsmuster entsprachen dem Übergang des Materials von einer Phase zur nächsten.

Schlußvolgerungen

Das neue bildgebende Verfahren kann für fast alle aktiven Materialien verwendet werden, die Lithium oder andere Ionen speichern und wo sich die Ionenkonzentration ändert. Da Standardansätze die Änderungen der lokalen Ionenkonzentration während schneller Ladezyklen nicht direkt verfolgen konnten, konnten bisher auch keine schnelladenden Batterien entwickelt werden. Die neue Lösung wird es Elektrochemikern ermöglichen ihre erdachten Mechanismen des Ionentransports in der Praxis zu testen, da das Bildgebungsproblem überwunden gelöst wurde.

Einschränkungen dieses Ansatzes

Hervorzuheben ist, daß die räumliche Auflösung des neuen bildgebenden Verfahrens durch die Wellenlänge des Lichts begrenzt ist. Zur Auflösung feinerer Details sind kürzere Wellenlängen erforderlich. In der veröffentlichten Arbeit lag die Auflösung bei etwa 300 nm. Ein weiterer zu berücksichtigender Punkt ist, daß die Laserstreuung das Ergebnis der Wechselwirkung von Licht mit nur einem Objekt ist. Zudem ist die Streuung durch die Wechselwirkung von Licht mit den ersten atomaren Ebenen des Teilchens ein Problem. Als Ergebnis fängt diese Methode nur die Ionenbewegungen in der zwei Dimension bezogen auf diese Atomschichten ein. Langsamere Ansätze wie die Röntgentomographie können dagegen dreidimensionale Informationen zu sammeln.

Ausblick

Es wird spannend sein, die Erkenntnisse der Autoren für einzelne Partikel weiterzuverfolgen und poröse Elektroden unter den Schnelladebedingungen  zu untersuchen.

Dieser Ansatz könnte auch dazu dinen, Festelektrolyte zu untersuchen. Diese sind faszinierende, jedoch kaum verstandene Batteriematerialien. Angenommen, die Lichtstreuung von Festelektrolyten variiert mit der lokalen Ionenkonzentration, wie dies bei aktiven Materialien der Fall ist. In diesem Fall könnte der Ansatz verwendet werden, um die Veränderung der Ionenverteilung zu kartieren, sobald ein elektrischer Strom sie durchfließt. Auch andere Systeme mit gekoppeltem Ionen- und Elektronentransport, wie z.B. Katalysatorschichten in Brennstoffzellen und elektrochemische Gassensoren, könnten von der Methode der optischen Streuung profitieren.

Künftig könnten gründliche Streutests mit homogenen Partikeln helfen, den Zusammenhang zwischen Streuverhalten und Lithium-Ionen-Konzentration zu quantifizieren. Die Streusignale könnten dann unter Verwendung dieser Korrelation zur Bestimmung lokaler Ionenkonzentrationen verwendet werden. Die Verbindung zwischen verschiedenen Materialien wird jedoch nicht immer gleich sein. Künstliche Intelligenz könnte das Auffinden dieser Verbindungen beschleunigen und die Lichtstreuungsanalyse automatisieren.

Das bildgebende Verfahren der Autoren eröffnet auch die Möglichkeit, gleichzeitig chemische, physikalische und geometrische Veränderungen aktiver Partikel während des Betriebs zu messen. Der Unterschied zwischen der Streuung eines Partikels und der von anderen Materialien in einer Batterie (wie dem Bindemittel oder dem Elektrolyten) könnte verwendet werden, um die Partikelform und ihre Entwicklung zu bestimmen. Die Zeit, die für die Lichtstreuung eines Partikels benötigt wird, würde lokale Veränderungen der Lithiumkonzentration aufdecken. Diese Materialien speichern deutlich mehr Energie als gängige aktive Materialien. Ihre Verwendung könnte das Batteriegewicht weiter reduzieren. Dies wäre insbesondere bei Elektrofahrzeugen von Vorteil, da durch die zo erreichte höhere Energiedichte größere Reichweiten möglich wären.

Die Forschung liefert bisher nicht verfügbare Einblicke in Batteriematerialien. Diese Methode zur direkten Überwachung von Veränderungen aktiver Partikel während des Betriebs wird bisherige Ansätze ergänzen, die auf zerstörenden Batterietests beruhen. Infolgedessen hat das Verfahren das Potenzial, den Batteriedesignprozeß zu verändern.

Merryweather, et al., 2021 “Operando optical tracking of single-particle ion dynamics in batteries”, Nature, 594, 522–528, doi:10.1038/s41586-021-03584-2

Bild: Pixabay / cebbi

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Selbstregulierende Anoden in intelligenten Brennstoffzellen verbessern das Wassermanagement

Wasserstoffbrennstoffzellen werden häufig als Schlüsselelement beim Übergang zu nachhaltiger Energieerzeugung angesehen. Ihr Wirkungsgrad ist doppelt so hoch wie der von Verbrennungsmotoren. Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie von Wasserstoff und Sauerstoff direkt in Strom und Wasser um. Daher spielt Wasser eine zentrale Rolle in Brennstoffzellen. Es sorgt für den Ionentransport und ist natürlich auch das Produkt der Reaktion selbst. In einer Anionenaustauschmembran-Brennstoffzelle (AAMBZ) muß das Wasser in der Anodenkatalysatorschicht (AKS) für die Sauerstoffreduktionreaktion auf die Kathodenkatalysatorschicht (KKS) diffundieren. Für einen höheren Effizienz der Wasserstoffdiffusion ist daher intelligentes Wassermanagement erforderlich, um so das Reaktionswasser aus der AKS zu entfernen und in der gesamten Membranelektrodenanordnung (MEA) auszubalancieren.

Es ist daher nur folgerichtig, daß ein besonderer Schwerpunkt der Brennstoffzellenforschung auf Wassermanagement liegt, um so bessere Reaktionsbedingungen sowohl für die Anode als auch für die Kathode zu ermöglichen. Die asymmetrische Befeuchtung von Reaktionsgasen wird allgemein als bester Lösungsansatz angesehen. Dadurch soll eine ausgeglichene Wasserbilanz zwischen den beiden Elektroden erreicht werden. Bei höheren Temperaturen verdampft jedoch überschüssiges Anodenwasser. Dieser Vorgang verursacht Wassermangel an der Kathode, die jedoch Wasser benötigt, um einwandfrei zu funktionieren. Um dem Wasserverlust entgegenzuwirken, wurde ein Komtrollsystem entwickelt, das den Rückfluß an der Anode und der Kathode steuert. Solche externen Steuerungsmechanismen erhöhen jedoch die Komplexität der Systemsteuerung.

Ein passives Steuerungssystem durch MEA-Modifikationen könnte das Wassermanagement erleichtern. Die Feuchtigkeitskontrolle in Brennstoffzellen kann durch besser dafür geeigneten Gasdiffusionsschichten erreicht werden. Verschiedener Arten von hydrophoben Materialien für die Anode und hydrophilen für die Kathode können so die gesamte Kraftstoffzellenleistung verbessern. Polyethylen-Tetrafluorethylen (PTFE)-Kopolymermembranen, wie Nafion™, haben eine hohe Wasserdurchlässigkeit. Diese Eigenschaft unterstützt den Wasserabfluß um so die Anodenüberflutung zu verhindern. Gleichzeitig wird so die Austrocknung der Kathode verhindert. Das Entwerfen einer geeigneten Mikrostruktur oder eine Veränderung des Ionomergehalts innerhalb der KKS könnte dem zuträglich sein. Insgesamt würde dadurch die Zelleistung und -handhabung verbessert.

Eine aktuelle Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Cell Reports Physical Science hat sich mit diesem Thema auseinandergesetzt. Die vorgestellte Studie hat untersucht, wie mehrschichtiges KKS-Design mit der Gradientenkapillarkraft den Wasserhaushalt der Brennstoffzelle beeinflußt, um das Wasserbilanzproblem der Anoden zu lösen. Für den Zweck der Studie wurden Platin auf Kohlenstoff und Platin-Ruthenium auf Kohlenstoff als Anodenkatalysatoren ausgewählt. Ruthenium erhöht die Wasserstoffoxidationsreaktionsaktivität und besitzt auch vorteilhafte strukturelle Eigenschaften. Wassermanagement und Leistung der Brennstoffzellen sollten von der Struktur der AKS beeinflußt werden.

Mikrostrukturanalyse der AKS

Die AKS, bestehend aus verschiedenen Schichten von Pt / C und PtRu / C und einer gemischten Version mit einer ähnlichen Dicke von etwa 9 bis 10 μm wurden mit energierer dispergierender Röntgenspektroskopie (engl. EDX) analysiert.

PT / C AKS hatte Poren von weniger als 150 nm, während Poren von PtRu / C  zwischen 300-400 nm groß waren. Die gemischte AKS hatte eine Porengröße <200 nm.

Die Forscher kamen zu dem Schluß, daß PT / C und PtRu / C AKS eine stratifizierte Porengrößenverteilung in Form eines Gradienten über die Anionenaustauschermembran und die Gasdiffusionsschicht aufwiesen. Die gemischte AKS hatte jedoch über die gesamte MEA eine homogene Porenstruktur.

Membranelektrodenanordnung unter Verwendung einer Polymerelektrolytmembran

Feuchtigkeits-Adsorption und Desorptionsverhalten von AKS

Um die Feuchtigkeitsadsorption und -desorption zu untersuchen, wurde die Änderung des Feuchtigkeitsgehalts des Brennstoffzellens in bezug auf verschiedene relative Luftfeuchtigkeit geprüft.

Es wurde beobachtet, daß sich der Feuchtigkeitsgehaltspegel mit anstieg der relativen Luftfeuchtigkeit von 20% auf 80% ebenfalls um bis zu 50% erhöhte.

Mit länger anhaltenden relativen Luftfeuchtigkeit von 80% begann sich der Feuchtigkeitsgehalt von Pt / PtRu und PtRu / Pt AKS zu verringern. Dies war der Beweis für das selbstregulierende Wassermanagement.

Die Desorption kam bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 60% zu stande. Der Wassergehalt in der AKS zeigte in jeder relativen Feuchtigkeitseinstellung eine schnelle Adsorption und langsame Freisetzung.

Die physikalische Anpassung des Wasserverhaltens wurde in PtRu / Pt-AKS beobachtet. Dies wurde auf Gradientennanoporen zurückgeführt die den Wassertransport förderten, wenn Reaktionswasser in den AKS erzeugt wurde. Dieses Verhalten würde den Betrieb von Brennstoffzellen bei hoher Stromdichte erleichtern.

Brennstoffzellenleistung mit modifizierter AKS

Um den strukturellen Effekt auf das Wassermanagement während des Betriebs zu beurteilen, wurde die Leistung der Brennstoffzellen bei unterschiedlicher relativer Luftfeuchtigkeit und Temperatur untersucht.

Mit zunehmender relativer Luftfeuchtigkeit von 40% auf 80% wurde auch eine Erhöhung der maximalen Leistungsdichte beobachtet, während die Temperatur bei 50°C konstant blieb. Dies war auf eine höhere ionische Leitfähigkeit bei hoher Membranhydratation zurückzuführen.

Bei relativer Luftfeuchtigkeit von 100% verringerte sich jedoch eine maximale Leistungsdichte der Pt / PtRu-MEA und der gemischten MEA. Bei der invertierten MEA-Version mit PtRu / Pt wurde ein Anstieg auf 243 mW / cm² beobachtet. Dies deutete an, daß die Feuchtigkeitsdesorptionsfähigkeit der PtRu / Pt-MEA den Stofftransport während des Brennstoffzellenbetriebs förderte.

Bei einer Temperatur von 60°C und 100% relativer Luftfeuchtigkeit erreichte die PtRu / Pt-Brennstoffzelle eine maximale Leistungsdichte mit 252 mW / cm².

Für PtRu / Pt-MEA wurde auch ein Haltbarkeitstest durchgeführt. Dieser zeigte, daß nach einem Dauerbetrieb von mehr als 16 Stunden bei 100 mA / cm² der Spannungsabfall lediglich <4% betrug.

Schlußfolgerungen

Durch die Untersuchung wurde deutlich, daß die PtRu / Pt-AKS mit seiner homogenen Schicht eine bessere Selbstregulierung in bezug auf Brennstoffzellen-Wassermanagement hatte. Die Nanoporenstruktur der Katalysatorschicht ermöglichte es, Wasser durch Kapillarkräfte zu transportieren. Überschüssiges Wasser der Anode konnte in Richtung der Kathode transportiert werden, wo es bei der Reaktion half oder es wurde über die Gasdiffusionsschicht entfernt, um eine Überflutung der Anode zu verhindern. Darüber hinaus zeigte diese Katalysatorschicht aus PtRu / Pt auch  allgemein bessere Leistungsdaten.

Bei Frontis Energy glauben wir, daß die Forschungsergebnisse Probleme beim Wassermanagement in den Brennstoffzellen lösen könnten. Da es sich um ein passives Steuerungssystem handelt, das durch interne Designmodifikationen der Brennstoffzellen chrakterisiert ist, könnten komplizierte externe Systeme ersetzt oder ergänzt werden. Die Studie hilft sicherlich bei der automatisierten Steuerung von Brennstoffzellen, da die Ergebnisse sie intelligenter machen könnten.

Quelle: Self-adjusting anode catalyst layer for smart water management in anion exchange membrane fuel cells, Cell Reports Physical Science, Volume 2, Issue 3, 24 March 2021, 100377

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Wie Infrarotstrahlung das Verhalten von Grenzflächenwasser beeinflußt

Trotz des allgemeinen Glaubens ist sehr wenig über die Struktur von Wasser- und Grenzflächenwechselwirkungen bekannt. Grenzflächenwasser, das auf der Oberfläche von hydrophilen Materialien adsorbiert ist, wird sowohl von Wasseroberflächen- als auch von Wasser-Wasser-Wechselwirkungen gebildet. Man weiß, daß sich das Grenzflächenwasser vom Wasser in großen Mengen unterscheidet und gelöste und Mikrokügelchen ausschließen kann, und somit wird es als Ausschlußzone (AZ) bezeichnet. Es ist bekannt, daß AZ-Wasser einen höheren Brechungsindex, Viskosität und Lichtadsorption bei 270 nm hat. Die Ladungstrennung wird auch durch Wechselwirkungen an der Wasseroberfläche verursacht. Zum Beispiel hat die Wasser-AZ in der Nähe von Nafion™ Membranen ein elektrisches Potenzial von −200 mV.

Bisherige Studien zeigten, daß elektromagnetische Energie Grenzflächenwasser beeinflussen kann. Infrarot (IR) Energie kann eine Vergrößerung der AZ verursachen, was zu Ladungstrennung führt. Die nun veröffentlichte Studie wurde von Wissenschaftlern der University of Washington mit IR-Licht unterschiedlicher Intensitäten und Wellenlängen durchgeführt, um zu erkunden, ob die Strahlung den Prozeß beschleunigen und Protonen in den Wasserkörper einbringen können. Die Wissenschaftler versuchten, die wässrigen Zwischenschichten zu beleuchten, um mehr über deren komplexe Natur zu erfahren.

Experimentelle Analyse

Verwendete Materialien:

Entionisiertes Wasser mit dem Widerstand von 18,2 MΩ × cm wurde mit einem Barnstead D3750 Nanopure-Diamantwassersystem gereinigt. Andere Materialien waren eine Nafion™ N117-Membran, ein Kaliumphosphatpuffer, ein pH-Farbstoff und Carboxylat-Mikrokügelchen (1 μm Durchmesser in einer 2,5% Suspension daraus)

Probenvorbereitung:

Mikrokugel-Suspensionen (Mikrokugel-zu-Wasser 1:300) und ein pH-Farbstoff (1:20) wurden dem Wasser hinzuzufügt, um die Vorgänge besser zu visualisieren.

Aufgrund der Kohlendioxidabsorption hatte das Wasser einen leicht sauren pH-Wert von 6,35 und wurde daher neutralisiert. Um den pH-Wert zu stabilisieren, wurde ein 1-molarer Kaliumphosphatpuffer von pH 7,0 aus den gleichen Volumina von 1 molaren K2HPO4– und KH2PO4-Lösungen angesetzt. Die Endkonzentration betrug 1 mM.

Eine Nafion™ -Membran von 3 × 20 mm wurde in 1 Liter entionisierten Wasser für 24 Stunden vor dem Gebrauch eingeweicht.

Bestrahlungsexperimente:

In eine Kunststoffkammer wurden 1 ml gepuffertes Wasser mitsamt dem pH-Farbstoff und den Mikrokügelchen injiziert. Die Kammer bestand aus einem Trägerglas mit einer mittigen Rille in der vertikalen Ebene der Kammer. Darin wurde die Nafion™ -Membran befestigt. Diese Anordnung wurde auf der Bühne eines invertierten Mikroskops zur Beobachtung für 10 Minuten aufgestellt.

Für die Bestrahlungsexperimente mit einer mittleren Infrarot-Wellenlänge von 3,0 μm wurden drei Nahinfrarot (NIR) LEDs unterschiedlicher Wellenlängen verwendet. Die NIR-LEDs wurde 2 mm über der Wasseroberfläche in der Kammer platziert. Das Wasser wurde mit NIR-Licht bei möglichst konstanter Emissionsleistung 5 Minuten lang bestrahlt. Die Temperatur der Wasserproben wurde mit Infrarotkameras gemessen.

Ergebnisse

Wasserzonen unterscheiden sich von Wasserkörper

Das Grenzflächenwasser nahm den Farbstoff und die Mikrokugeln auf, was darauf hindeutete, daß sich AZ-Wasser in der Nähe der Nafion™ -oberfläche bildete. Eine rote Zone mit einem pH-Wert 4 wurde außerhalb des AZ-Wassers in der Protonenzone (PZ) gebildet. Die Forscher kamen zu dem Schluß, daß sich die Protonen durch anschwellende Grenzflächenwassers ansammelten. Mit andauerndem Kontakts zwischen Nafion™ und dem Wasser verdoppelten sich die AZ und die PZ . Die Mikrokugeln drifteten mit der Zeit vom Nafion™ weg.

Stabilität der AZ-Größe und der PZ-Größe

Aus der Beobachtung wurde ersichtlich, daß AZ-Wasser nicht durch die aus Nafion™ fließende Substanz verursacht wurde. Die Forscher nahmen an, daß die eisartige Struktur von Grenzflächenwasser die Bildung der AZ und PZ verursacht. Dieses Netzwerk hexagonaler Strukturen mißt mehrere hundert Mikrometer. Zwischen den AZ-Wasserschichten kam es zu elektrostatischen Aufladungen.

Wirkung von IR-Strahlung auf AZ- und PZ-Wasser

Die Protonkonzentration im PZ-Wasser stieg mit der IR-Intensität ebenso wie die Größe der AZ und der PZ. Höhere IR-Intensitäten schwächten die Hydroxylbindungen, wodurch die AZ-Erweiterung unterstützt wurde. Die IR-Strahlung verursachte auch eine Diffusion der Carboxylat-Mikrokugeln, die sich vom IR-Lichtpunkt mit zunehmender Intensität wegbewegten.

Wirkung von NIR auf AZ- und PZ-Wasser

Die Untersuchung des Effekts von NIR auf Grenzflächenwasser kann dazu beitragen, die Lichttherapie besser zu verstehen. Rote Wellenlängen und NIR-Wellenlängen haben die Eigenschaft, tiefer in Gewebe einzudringen. Die Lichttherapie kann bei der Synthese von Adenosin-Tri-Phosphat (ATP) helfen. Da ATP die universelle biologische Währung für Zellenergie ist, könnte die Lichttherapie weitere, noch unbekannte medizinische Vorteile haben. Grenzflächenwasser könnte als Photorezeptor in der Lichttherapie wirken, da Zellen Makromoleküle und Organellen enthalten. Die Verwendung von NIR zur Feststellung eines Protonengradienten ist ein interessanter Befund und legt weitere Untersuchungen nahe.

Schlußfolgerungen

Die Untersuchung zeigte, daß sich die EZ- und PZ-Zonen in Grenzflächenwasser nach fünf Minuten stabilisierten, und daß Infrarotstrahlung die Ausdehnung und Aktivität dieser Zonen erheblich erhöhen kann. Dies ist möglicherweise auf veränderte Eigenschafteb des Wassers auf hydrophilen Materialoberflächen zurückzuführen.

IR-Strahlung kann beim Aufbau von mikrokugelfreien Zonen helfen kann − ein Phänomen, das wiederum protonenreiche Zonen erzeugt. Dies ist auch für die Ladungstrennung in Grenzflächenwasser verantwortlich. Zusammenfassend wurden einige Fragen bezüglich der Komplexität von Grenzflächenwasser, EZ- und PZ-Wasserzonen geklärt.

Ausblick

Da Forschung nie endet sind auch im Fall von IR und Grenzflächenwasser weiter Untersuchung notwendig, um die Natur von EZ und PZ im Wasser besser zu verstehen. Zum Beispiel könnte die Verwendung von NIR zur Lichttherapie unter Verwendung von Grenzflächenwasser als Photorezeptor untersucht werden. Dies könnte neue medizinische Anwendungen hervorbringen.

Literaturnachweis: https://doi.org/10.1016/j.colcom.2021.100397: Effect of infrared radiation on interfacial water at hydrophilic surfaces, Colloid and Interface Science Communications, Volumen 42, 2021, 100397

Bild: Wikipedia