Forscher der Columbia University haben ultradünne, PFAS-freie Membranen für Wasser-Elektrolyseure entwickelt, die Wasserstoffproduktion effizienter und umweltverträglicher machen. Statt des giftigen Standardmaterials Nafion nutzen sie Siliziumdioxid-Membranen, die nur ein Hundertstel so dick sind – und mikroskopische Defekte mit elektrochemischen „Nanostopfen“ verschließen. Die Ergebnisse, heute in ACS Nano veröffentlicht (DOI: 10.1021/acsnano.5c09555), reduzieren den PFAS-Einsatz um über 99 Prozent und senken den Wasserstoffübergang auf ein Hundertstel im Vergleich zu Nafion.
Wasserstoff ist ein 250-Milliarden-Dollar-Markt für Dünger, Stahl und Raffinerien – doch 99,9 Prozent der Produktion basieren auf fossilen Brennstoffen. Grüne Wasserstoff-Erzeugung durch Elektrolyse ist teuer und setzt auf Nafion-Membranen, die als „forever chemicals“ bekannt sind: persistent, potenziell toxisch und umweltbelastend.
Credits
Esposito Lab
„Die Membran ist das Herz des Elektrolyseurs“, erklärt Dan Esposito, Associate Professor für Chemieingenieurwesen an der Columbia Engineering. „Sie trennt Sauerstoff und Wasserstoff, lässt aber Protonen durch – bei Versagen droht Explosion.“
Dünner, aber dicht: Siliziumdioxid statt Nafion
Nafion-Membranen sind 180 Mikrometer dick – zwei- bis dreimal dicker als ein menschliches Haar. Esposito und sein Team setzen auf Siliziumdioxid (SiO?), das zwar 1.000-mal schlechter leitet, aber mit Atomlagenabscheidung (ALD) in weniger als einem Mikrometer Dicke hergestellt werden kann. Dank der extremen Dünne gleicht sich der Widerstand an kommerzielle Nafion-Membranen an.
Das Problem: Nanorisse und Pinholes. „Schon wenige Löcher pro Quadratzentimeter machen das System unsicher“, sagt Esposito. Die Lösung: ein gepulstes elektrochemisches Verfahren. Durch kurze Spannungsimpulse werden nur in den Defekten chemische Reaktionen ausgelöst – es entstehen nanometergroße „Stopfen“, ohne die Membranoberfläche zu verändern.
100-fach geringerer Wasserstoffübergang
Labortests zeigen: Die reparierten SiO?-Membranen lassen bis zu 100-mal weniger Wasserstoff durch als Nafion – bei nur einem Hundertstel der Dicke. „Das ist ein Durchbruch in Leistung und Sicherheit“, so Esposito.
Industriepartner Nel Hydrogen (Weltmarktführer für Elektrolyseure) und Forge Nano (ALD-Spezialist) skalieren die Technik bereits von Zentimeter- auf Prototypgröße. Das Projekt wird vom U.S. Department of Energy (ARPA-E) gefördert.
Breites Anwendungspotenzial
Die „Nanostopfen“-Methode könnte auch Brennstoffzellen, Redox-Flow-Batterien, Wasseraufbereitung und Halbleitertechnik verbessern. „Wir ersetzen nicht nur PFAS – wir schaffen eine Plattform für nachhaltige Energiespeicherung“, sagt Esposito.
Derzeit stammt weniger als 0,1 Prozent des globalen Wasserstoffs aus Elektrolyse. „Will man das skalieren, braucht man Membranen, die leistungsfähig und umweltverträglich sind“, betont Esposito. „Genau das liefern wir.“
Journal
ACS Nano
DOI
