Ein Forschungsteam des Institute of Science Tokyo hat einen bedeutenden Fortschritt in der Wasserstoffproduktion erzielt, der die Energiewende hin zu kohlenstoffneutralen Systemen vorantreiben könnte. Die Studie, veröffentlicht am 4. Juli 2025 online im Journal Applied Energy, stellt einen neu entwickelten, Kalium- und Calciummodifizierten Ilmenit-Sauerstoffträger vor, der die Effizienz und Ausbeute der Wasserstoffproduktion in chemischen Kreislaufsystemen drastisch verbessert.
Wasserstoff gilt als Schlüssel für eine saubere Energiezukunft, da seine Verbrennung kein Kohlendioxid freisetzt. Doch die Herstellung von Wasserstoff ohne Kohlenstoffemissionen bleibt eine Herausforderung. Chemische Kreislaufsysteme (Chemical Looping) bieten hier eine vielversprechende Lösung, da sie Wasserstoffproduktion, Kohlendioxidabscheidung und Stromerzeugung gleichzeitig ermöglichen. Der natürliche mineralische Sauerstoffträger Ilmenit war bisher aufgrund seiner trägen Reaktionskinetik und geringen Wasserstoffausbeute jedoch nur begrenzt für industrielle Anwendungen geeignet.
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Wissenschaftsinstitut Tokio
Unter der Leitung von Professor Junichiro Otomo und Dr. Zhuang Sun entwickelten die Forscher eine modifizierte Version von Ilmenit, indem sie Kalium- und Calciumionen hinzufügten. Durch eine Festkörpersynthese bei hohen Temperaturen wurde eine neue Calciumtitanatphase mit Eisensubstitution geschaffen. Diese Phase verbessert die Diffusion von Oxidionen, was die Reaktionsgeschwindigkeit und die Wasserstoffausbeute erheblich steigert. Die Ergebnisse sind beeindruckend: Der optimierte, Kalium-Calcium-co-modifizierte Ilmenit erhöhte die Effizienz des Polygenerationsprozesses um 5,5 Prozent, reduzierte den Kohlenmonoxid-Verbrauch um 57 Prozent und steigerte die Wasserstoffproduktion um etwa 440 Prozent – und das mit einem Reaktor, der nur ein Drittel der Größe herkömmlicher Systeme benötigt.
Die Modifikation des Ilmenits eröffnet neue Möglichkeiten für skalierbare, kostengünstige und nachhaltige Energiesysteme. Durch die Integration von Kalium und Calcium, die in Biomasseasche vorkommen, könnte die Technologie zudem die Nutzung erneuerbarer Brennstoffe fördern. Das System ermöglicht nicht nur eine effizientere Wasserstoffproduktion, sondern auch die gleichzeitige Abscheidung von Kohlendioxid und die Erzeugung von Strom, was es ideal für Polygenerationsanlagen macht.
Die Forscher planen, die Technologie weiter zu verfeinern, unter anderem durch die Entwicklung von Synthesemethoden bei niedrigeren Temperaturen, um die Kosten zu senken. Ein Demonstrationsprojekt, das im Juli 2025 in Zusammenarbeit mit Osaka Gas Co., Ltd. und JFE Engineering Corporation startete, testet die Anwendung des modifizierten Ilmenits in groß angelegten Wirbelschichtreaktoren. Dieses Projekt, unterstützt von der Japan Carbon Frontier Organization, nutzt Biomasse und flüssige Abfälle, um Wasserstoff, Strom und CO? zu erzeugen. Zudem fördert die Green Transformation Initiative des Institute of Science Tokyo die Weiterentwicklung durch den Ausbau von Versuchseinrichtungen.
Diese Innovation markiert einen Meilenstein in der Materialwissenschaft und der sauberen Energieproduktion. Sie könnte die Grundlage für zukünftige kohlenstoffneutrale Energiesysteme bilden und die globale Energiewende beschleunigen, indem sie effiziente, skalierbare und umweltfreundliche Lösungen für die Wasserstoffproduktion bietet.
DOI
10.1016/j.apenergy.2025.126362
