Ein interdisziplinäres Team bei POSTECH unter der Leitung von Professor Gunsu S. Yun, Doktorand Jaemin Yoo (Department of Physics, Division of Advanced Nuclear Engineering), Professor Hyungyu Jin und Doktorand Dongkyu Lee (Department of Mechanical Engineering) hat ein bahnbrechendes Projekt entwickelt Technologie, die wichtige Einschränkungen bei der Produktion von sauberem Wasserstoff mithilfe von Mikrowellen beseitigt. Sie haben auch den zugrunde liegenden Mechanismus dieses innovativen Prozesses erfolgreich aufgeklärt. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht als Innenseite der vorderen Abdeckung von Zeitschrift für Materialchemie A, markieren Sie einen transformativen Schritt im Streben nach nachhaltiger Energie.
Während sich die Welt von fossilen Brennstoffen abwendet, hat sich sauberer Wasserstoff aufgrund seiner Null-Kohlenstoff-Emissionen zu einem Spitzenkandidaten für die Energie der nächsten Generation entwickelt. Bestehende Wasserstoffproduktionstechnologien stehen jedoch vor erheblichen Hindernissen. Herkömmliche thermochemische Methoden, die auf der Oxidations-Reduktion von Metalloxiden basieren, erfordern extrem hohe Temperaturen von bis zu 1.500 °C. Diese Methoden sind nicht nur energieintensiv und kostspielig, sondern auch schwierig zu skalieren, was ihre praktische Anwendung einschränkt.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, griff das POSTECH-Team auf eine bekannte, aber wenig genutzte Energiequelle zurück: „Mikrowellen“.1 Energie, die gleiche Quelle, die auch in Haushaltsmikrowellenherden verwendet wird. Während Mikrowellen häufig mit dem Erhitzen von Lebensmitteln in Verbindung gebracht werden, können sie auch chemische Reaktionen effizient antreiben. Die Forscher zeigten, dass Mikrowellenenergie die Reduktionstemperatur von Gd-dotiertem Ceroxid (CeO) senken kann2) – ein Benchmark-Material für die Wasserstoffproduktion – auf unter 600 °C, wodurch der Temperaturbedarf um über 60 Prozent gesenkt wird. Bemerkenswerterweise ersetzte Mikrowellenenergie 75 Prozent der für die Reaktion benötigten Wärmeenergie, ein Durchbruch für eine nachhaltige Wasserstoffproduktion.
Ein weiterer entscheidender Fortschritt liegt in der Schaffung von „Sauerstoff-Leerstellen“.2Hierbei handelt es sich um Defekte in der Materialstruktur, die für die Spaltung von Wasser in Wasserstoff wesentlich sind. Herkömmliche Methoden benötigen bei extrem hohen Temperaturen oft Stunden, um diese Leerstellen zu bilden. Die gleichen Ergebnisse erzielte das POSTECH-Team durch den Einsatz der Mikrowellentechnologie in nur wenigen Minuten bei Temperaturen unter 600 °C. Dieser schnelle Prozess wurde mit einem thermodynamischen Modell weiter validiert, das wertvolle Einblicke in den Mechanismus lieferte, der der mikrowellengetriebenen Reaktion zugrunde liegt.
Professor Hyungyu Jin erklärte: „Diese Forschung hat das Potenzial, die kommerzielle Realisierbarkeit thermochemischer Wasserstoffproduktionstechnologien zu revolutionieren. Sie wird auch den Weg für die Entwicklung neuer Materialien ebnen, die für mikrowellengesteuerte chemische Prozesse optimiert sind.“ Professor Gunsu Yun fügte hinzu: „Die Einführung eines neuen, durch Mikrowellen angetriebenen Mechanismus und die Überwindung der Einschränkungen bestehender Prozesse sind große Errungenschaften, die durch die enge interdisziplinäre Zusammenarbeit unseres Forschungsteams ermöglicht wurden.“
Diese Studie wurde vom Innovative Science and Technology Program der Circle Foundation, dem Mid-Career Researcher Program des Ministeriums für Wissenschaft und IKT, dem Basic Science Research Institute von POSTECH und dem Ministerium für Handel, Industrie und Energie unterstützt.
Hinweise:
1. Mikrowellen
Elektromagnetische Wellen mit Frequenzen von 300 MHz bis 300 GHz. Sie werden häufig zur Übertragung von Energie oder Wärmematerialien in der drahtlosen Kommunikation, in Radarsystemen und in Mikrowellenherden verwendet.
2. Sauerstoffmangel
Ein Zustand, in dem ein Sauerstoffatom in einem Material fehlt und eine leere Stelle zurückbleibt. Diese Lücke kann eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung des Elektronenflusses oder der chemischen Reaktivität spielen.
