Neue Wege zu einer effizienteren Wasserstoffproduktion entdeckt

Den richtigen Wasserstoffkatalysator finden

Hydrogen könnte theoretisch ein perfekter Brennstoff sein, um Energie zu speichern und Anwendungen zu betreiben, die schwer zu elektrifizieren sind. Das liegt daran, dass es einige fast ideale Eigenschaften aufweist:

• Das Nebenprodukt seiner Verbrennung ist ausschließlich Wasser
  • Das Gleiche gilt, wenn es in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung verwendet wird.
• Es kann bei sehr hohen Temperaturen verbrennen, was es zu einer guten Alternative zu Erdgas in der Metallurgie, chemischen Prozessen usw. macht.
• Für seine Herstellung wird ausschließlich Wasser benötigt.
• Wasserstoff ist selbst ungiftig und nicht umweltverschmutzend.

Allerdings wurde der Aufstieg einer wasserstoffbasierten Wirtschaft durch die Schwierigkeit, Wasserstoff kosteneffizient zu produzieren, gehemmt. Das liegt daran, dass der größte Teil des grünen Wasserstoffs (aus grüner Energie hergestellt) durch Elektrolyse gewonnen wird, ein Verfahren, das derzeit meist auf teure Katalysatoren wie Platin, Ruthenium oder Iridium angewiesen ist, die alle sehr selten und kostspielig sind.

Solange also keine bessere Produktionsmethode für Wasserstoff existiert, ist es unwahrscheinlich, dass wir ihn in großem Maßstab fossile Brennstoffe ersetzen können.

Glücklicherweise ändert sich das schnell. Wir haben bereits einige dieser Möglichkeiten behandelt, insbesondere das Plastikabfälle in Wasserstoff umwandeln, die Verwendung von Nanorods von Nickel als alternativen Katalysator, oder die Nutzung von Titan- und Nickel-Schrottmetallen (Swarf) die bei der Herstellung von Metallteilen entstehen. Einige neuere Optionen werden nun von Forschern hinzugefügt.

Die erste ist die Herstellung selbstoptimierender Katalysatoren¹ durch Forscher an der Johannes Gutenberg Universität (Deutschland) und der Technischen Universität Darmstadt (Deutschland), dem Max Planck Institut für Polymerforschung (Deutschland), dem Harbin Institute of Technology (China) und der Shandong University (China). Sie wurde in Angewandte Chemie unter dem Titel “Selbstoptimierende Kobalt‑Wolfram‑Oxid‑Elektrokatalysatoren für verbesserte Sauerstoffentwicklung in alkalischen Medien.” veröffentlicht.

Die zweite ist die Erfindung einer Methode, um Klärschlamm in grünen Wasserstoff und Tierfutter umzuwandeln² durch Forscher der Nanyang Technological University (Singapur), der Monash University (Australien) und der University of Hong Kong (China). Sie wurde in Nature Water unter dem Titel “Solarbetriebene Elektroreformierung von Klärschlamm gekoppelt mit biologischer Kanalisierung zur gleichzeitigen Erzeugung von grünem Lebensmittel und Wasserstoff” veröffentlicht.

Korrektur von Wasserstoffkatalysatoren

Ein wiederkehrendes Problem bei allen wasserstoffproduzierenden Katalysatoren ist, dass sie im Laufe der Zeit degradieren. Dies kann durch die Bildung einer Ablagerung auf den reaktiven Metallen oder durch die langsame Degradation der Metallschicht selbst und den Verlust von Komponenten bei jedem Katalysezyklus verursacht werden.

Dies ist besonders problematisch für teure Katalysatoren der Platinmetallgruppe, stellt jedoch auch für andere metallbasierte Katalysatoren ein Problem dar.

Deshalb ist es wichtig, dass die deutschen und chinesischen Forscher der ersten hier diskutierten Studie ein selbstoptimierendes Verhalten ihrer neuen Katalysatoren beobachtet haben.

“Was an unserem Katalysator so einzigartig ist, dass er seine Leistung im Laufe der Zeit tatsächlich verbessert, während herkömmliche Katalysatoren entweder ihre Leistung konstant halten oder sogar einen Teil ihrer Leistung verlieren, weil sie nicht ausreichend langlebig sind,”
Dr. Dandan Gao – Forschungsleiterin an der Johannes Gutenberg‑Universität Mainz

Kobalt‑Wolfram‑Katalyse

Lösen des Engpasses in der Wasserstoffproduktion

Die Forscher konzentrierten sich auf sogenannte 3d‑ bis 5d‑Übergangsmetalloxide, formuliert als Mischmetall.

Diese können eine chemische Reaktion namens Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) durchführen, die die Hälfte der Reaktion während der Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff ausmacht, und zwar in beiden gängigsten Elektrolyseur‑Designs (AEM‑ und PEM‑Elektrolyseure).

Quelle: SpectroInlet

 “Bei der Spaltung von Wasser gibt es zwei Reaktionen. Die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER), die Wasserstoffgas erzeugt, und die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER), die Sauerstoffgas erzeugt. Die OER stellt den Engpass für die gesamte Reaktion dar. Deshalb sind wir so engagiert, einen Katalysator zu entwickeln, der die OER‑Halbreaktion fördern kann.”

Dr. Dandan Gao – Forschungsleiterin an der Johannes Gutenberg‑Universität Mainz

Allerdings sind diese neuartigen potenziellen Katalysatoren noch wenig verstanden, wobei wenig darüber bekannt ist, was genau auf atomarer Ebene während der Reaktion geschieht oder welche elektrochemische Form das Metall annimmt.

Dieses mangelnde Verständnis stellt ein großes Hindernis für die Entwicklung einer kommerziell nutzbaren Lösung dar, da es auch die Möglichkeit einschränkt, die Katalysatoren an einem stabilen Substrat zu verankern.

Ein‑Schritt‑Abscheidemethode

Die Forscher verwendeten ein Kupferoxid (L−CuO) Mikroblumen‑Substrat mit einem Durchmesser von 3–5 µm, zuvor in ihrem Labor im Jahr 2020 entwickelt.

Anschließend nutzten sie ein chemisches Abscheideverfahren, um eine Schicht aus Kobalt‑Wolfram‑Legierung auf der Oberfläche des Kupfer‑Substrats zu erzeugen.

Quelle: Angewandte Chemie

Nachfolgende Analysen zeigten die komplexen mikroskopischen Strukturen des Materials, wobei Röntgen‑Photoelektronenspektroskopie (XPS), attenuierte Totalreflexions‑FTIR‑Spektroskopie (ATR‑FTIR) und Raman‑Spektroskopie eingesetzt wurden.

Es bestätigte zudem, dass der Katalysator sehr fest am Kupfer‑Substrat haftet.

“Die Entwicklung von praktikablen und skalierbaren Abscheideverfahren ist von größter technologischer, wirtschaftlicher und ökologischer Bedeutung, da sie eine stabile Verankerung von OER‑Vor‑Katalysatoren auf ausgewählten vielversprechenden Substraten mit hoher mechanischer Integrität ermöglicht”

Quelle: Angewandte Chemie

Selbstoptimierender Katalysator

Aus diesen äußerst detaillierten Beobachtungen entdeckten die Wissenschaftler, dass die Kobaltionen von der Co₂₊ Form zur Co3₊‑Form wechseln. Gleichzeitig wandern die Wolframionen von der W5+ zu den W6+ Formen.

Infolgedessen wird im Laufe der Zeit der elektrochemisch aktive Teil des Katalysators vom Wolfram‑Aktivitätsort zum Kobalt‑Aktivitätsort verlagert.

Quelle: Angewandte Chemie

Der Katalysator ändert zudem seine Oberflächenhydrophilie, also seine Fähigkeit, Wasser (den Brennstoff für die Wasserstofferzeugung) anzuziehen: Im Laufe der Zeit wird er hydrophiler.

“Im Allgemeinen haben wir deutlich reduzierte Überspannungen und erhöhte Stromdichten verzeichnet, begleitet von einem erheblichen Anstieg der OER‑Kinetik. All dies sind positive Nachrichten für die zukünftige Wasserstoffproduktion.”

Dr. Dandan Gao – Forschungsleiterin an der Johannes Gutenberg‑Universität Mainz

Dies sollte ein bedeutender Schritt sein, um Übergangsmetalloxide zu brauchbaren Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion zu machen.

Nicht nur zeigt dies, dass das Forscherteam ein brauchbares Kupfer‑Substrat für den Katalysator entwickelt hat, sondern auch, dass solche Katalysatoren hyperstabil sein und sich im Laufe der Zeit sogar verbessern können.

Es liefert zudem den theoretischen Rahmen, um das Potenzial anderer Übergangsmetallkombinationen zu bewerten, die noch nicht so gut verstanden sind wie Kobalt‑Wolfram jetzt.

Keine Notwendigkeit für Katalyse?

Umgang mit dem Schlamm der Städte

Inzwischen könnte die Wasserstoffproduktion auch aus den massiven Abfallströmen, die unsere Städte erzeugen, stammen. Dies ist zumindest das Konzept, das von Forschern aus Singapur, China und Australien untersucht wird.

Sie konzentrierten sich auf Klärschlamm, ein toxisches Nebenprodukt der Abwasserreinigung. Dieser Schlamm ist aufgrund seiner komplexen Struktur, Zusammensetzung und Verunreinigungen wie Schwermetallen und Krankheitserregern notorisch schwer zu verarbeiten und zu entsorgen.

Jährlich werden weltweit mehr als 100 Millionen Tonnen Klärschlamm erzeugt. Gängige Entsorgungsmethoden – wie Verbrennung oder Deponierung – sind zeitaufwendig, energieineffizient und tragen zur Umweltverschmutzung bei.

Stattdessen könnte er gleichzeitig eine Quelle für Tierfutter und Wasserstoff werden.

Umwandlung von Schlamm in Ressourcen

Die Forscher entwickelten ein dreistufiges Verfahren zur Behandlung des Schlamms.

Zuerst zerkleinern sie den Schlamm mechanisch zu einer Flüssigkeit. Anschließend entfernen sie die Schwermetalle aus dem organischen Material durch eine chemische Behandlung.

Als nächstes nutzen sie einen elektrochemischen Prozess, um die organischen Materialien in wertvolle Produkte zu verwandeln: Essigsäure und Wasserstoffgas, mithilfe spezialisierter Elektroden.

Schließlich geben sie einer Kultur von lichtnutzerfähigen Bakterien (Cyanobakterien) die Möglichkeit, den verbleibenden organischen Inhalt in Einzellern zu Proteinen umzuwandeln, die für Tierfutter geeignet sind.

Sowohl der zweite als auch der dritte Schritt werden entweder direkt (im Fall der Bakterien) oder indirekt mittels Solarpanels (im Fall der elektrochemischen Behandlung) durch Sonnenlicht angetrieben.

Dies macht den gesamten Schlammrecyclingprozess vollständig kohlenstofffrei und tatsächlich kohlenstoffnegativ, da er die CO₂‑Emissionen des normalen Schlammverarbeitungsprozesses vermeidet und andere fossile Quellen für Essigsäure, Wasserstoff und Tierfutter ersetzt.

Wasserstoff kann als Quelle sauberer Energie genutzt werden, und Essigsäure ist ein wichtiger Bestandteil für die Lebensmittel‑ und Pharmaindustrie.

Quelle: Nature Water

Hohe Effizienz

Diese Methode hat gezeigt, dass 91,4 % des organischen Kohlenstoffs im Klärschlamm zurückgewonnen und 63 % des organischen Kohlenstoffs in Einzellernprotein umgewandelt werden.

Dies ist deutlich höher als bei der herkömmlichen anaeroben Vergärung, die typischerweise etwa 50 % der organischen Materialien im Klärschlamm zurückgewinnt und umwandelt.

Insgesamt reduziert dies die CO₂‑Emissionen um 99,5 % und den Energieverbrauch um 99,3 % im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren.

“Wir hoffen, dass unsere vorgeschlagene Methode die Machbarkeit einer nachhaltigen Abfallbewirtschaftung zeigt und die Wahrnehmung von Klärschlamm von Abfall zu einer wertvollen Ressource verschiebt, die saubere Energie und nachhaltige Lebensmittelproduktion unterstützt.”

Dr. Zhao Hu, Forschungsmitarbeiter an der Nanyang Technological University

Zusätzlich zu dieser hohen Effizienz reinigt sie den Schlamm von Schwermetallen, die bei den üblichen Methoden Deponien verschmutzen.

Diese neue Methode zeigt, dass eine Revolution im Umgang mit Abwasser weltweit möglich ist, indem Schwermetalle entfernt (vielleicht später recycelt?) und gleichzeitig nützliche Essigsäure, Wasserstoff und Tierfutter erzeugt werden.

Fazit

Eine Wasserstoffwirtschaft wird wahrscheinlich ein komplexes Netzwerk verschiedener Wasserstoffquellen umfassen.

Wahrscheinlich wird es fortschrittliche Katalysatoren geben, die die Wasserelektrolyse zu Wasserstoff durchführen, ohne teure seltene Metalle zu benötigen. Dies würde die Kosten für Wasserstoff so weit senken, dass er ein wirtschaftlich konkurrenzfähiger Ersatz für fossile Brennstoffe und andere grüne Alternativen wird.

Eine weitere wahrscheinliche Quelle besteht darin, die massiven Millionen Tonnen Abfallprodukte aus Landwirtschaft, Abwasser und anderen menschlichen Aktivitäten besser zu nutzen. Da diese ohnehin verarbeitet werden müssen, ist es weitaus besser, sie so zu verarbeiten, dass Schadstoffe (wie Schwermetalle) entfernt und neue nützliche Produkte geschaffen werden.

Und wenn dies ausschließlich solarbetrieben geschieht, desto besser.

Wolfram‑Katalyseunternehmen

Wolfram entwickelt sich zunehmend nicht nur zu einem superresistenten Metall, das in der Schwerindustrie und im Verteidigungssektor eingesetzt wird, sondern auch zu einem leistungsstarken Katalysator, der für die chemische Industrie nützlich ist und Wasserstoff erzeugt.

Es könnte sogar zu einem leistungsstarken Hochtemperatur‑Supraleiter werden, wenn es in der richtigen molekularen Konfiguration verwoben ist.

Sie können eine technische und investitionsbezogene Übersicht über diese Ressource in “Tungsten – The Secret High-Tech Metal” lesen.

Es ist zudem ein Metall, dessen Lieferkette fast vollständig von China kontrolliert wird, mit einer Ausnahme, Almonty Industries (ALM ).

Almonty Industries

Almonty ist ein Wolframbergbauunternehmen, das derzeit hauptsächlich aus einer Mine in Portugal fördert, die seit 125 Jahren in Betrieb ist.

Das Unternehmen arbeitet an der Erweiterung der portugiesischen Mine und besitzt unerschlossene Lagerstätten in Spanien.

Quelle: Almonty

Das wichtigste Projekt des Unternehmens ist die laufende Entwicklung einer neuen Mine in Sangdong, Südkorea. Die Mine enthält mehr als die gesamten anderen Lagerstätten zusammen geschätzte Ressourcen.

Quelle: Almonty

Als eines der einzigen aktiven und produzierenden Wolframbergbauunternehmen in westlichen Ländern ist Almonty ein strategischer Schlüsselzulieferer für die Verteidigungsindustrie. Daher ist es ein wichtiges Unternehmen zur Reduzierung der Abhängigkeit von chinesischen Lieferungen.

Die Lage der Sangdong‑Mine macht sie zu einem perfekten Lieferanten für die Verteidigungsindustrie, da Südkorea ein neuer Riese in der Massenproduktion von „Low‑Tech“-Militärausrüstung wie Panzern, Artillerie und Munition ist (im Vergleich zu weniger wolframintensiven Kampfflugzeugen, Flugzeugträgern usw.).

Während China plant, eine riesige Wolfram‑Mine in Kasachstan zu eröffnen, ist Almonty bereit, die Politik im Zusammenhang mit der Sicherung von Wolfram grundlegend zu verändern, wenn das Almonty Korea Tungsten Project in Sangdong in wenigen Monaten in Betrieb geht. Sobald es die Produktion aufnimmt, wird es eine der größten Wolfram‑Minen der Welt sein und 30 % des nicht‑chinesischen Angebots ausmachen.

Lewis Black, Direktor, Präsident und CEO von Almonty Industries

Almonty sollte Anfang bis Mitte 2025 mit der Wolframproduktion aus der koreanischen Mine beginnen.

Aufgrund seiner strategischen Position als praktisch einziger großer Lieferant im Westen wurde Almonty von Plansee ein garantierter Preis angeboten. Plansee ist ein Hochleistungsmetallhersteller und einer der größeren Kunden von Almonty sowie Eigentümer von 15 % des Unternehmens.

Der garantierte Mindestpreis betrug 235 $/MTU (metrische Tonne Einheit), ohne Obergrenze. Da die Sangdong‑Mine Kosten von 110 $/mtu anstrebt, sollte dies praktisch eine hohe Gewinnspanne für das Projekt sicherstellen.

Mit einem glücklichen, fast perfekten Timing zwischen der bevorstehenden Eröffnung von Sangdong und einem neuen Handelskrieg zwischen Trumps Amerika und China hat der Aktienkurs stark reagiert und stieg innerhalb von 2 Tagen nach der Ankündigung der Wolfram‑Exportbeschränkung aus China um 40 %.

Da Wolfram für High‑Tech‑Anwendungen immer wichtiger wird und geopolitische Spannungen steigen, wird ein gesicherter, nicht‑chinesischer Wolframvorrat voraussichtlich einen stabilen Aufpreis generieren, wobei Almonty einer der stärksten Nutznießer ist.

Studienreferenz:

^{1. Christean Nickel et al. (2025) Selbstoptimierende Kobalt‑Wolfram‑Oxid‑Elektrokatalysatoren für verbesserte Sauerstoffentwicklung in alkalischen Medien. Angewandte Chemie. 05. Februar 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202424074} 

 ^{2. Hu Zhao, et al. (2024) Solarbetriebene Elektroreformierung von Klärschlamm gekoppelt mit biologischer Kanalisierung zur gleichzeitigen Erzeugung von grünem Lebensmittel und Wasserstoff. Nature Water. Volume 2, pages1102–1115. https://doi.org/10.1038/s44221-024-00329-z}