Treibstoff aus Urin dank Harnstoff-Elektrolyse
Die Idee, Wasserstoff aus Urin herzustellen, ist nicht ganz neu. Forschende aus den USA haben aber nun eine kostengünstige Methode der Harnstoff-Elektrolyse gefunden, die den Weg in die Praxis finden könnte.
Aus dem Harnstoff im Abwasser lässt sich energieeffizient grüner Wasserstoff herstellen.
Foto: PantherMedia / Elegant01
Überall auf der Welt arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an Methoden, wirtschaftlich grünen Wasserstoff herzustellen. Auch in Kläranlagen. So gibt es zum Beispiel Bestrebungen, methanolhaltiges Abwasser für die Wasserstoffgewinnung zu verwenden. Ein weiterer Inhaltsstoff von Abwasser ist Urin. Forschende des Worcester Polytechnic Institute (WPI) haben ein Material gefunden, mit dem Harnstoff aus Wasser entfernt und möglicherweise in Wasserstoffgas umgewandelt werden kann.
Harnstoff-Elektrolyse energieeffizienter als Wasserelektrolyse
In der Landwirtschaft ist Harnstoff ein preiswerter Stickstoffdünger. Er entsteht als natürliches Produkt des menschlichen Stoffwechsels. Doch der hohe Harnstoffgehalt in landwirtschaftlichen und städtischen Abwässern führt zur Anreicherung der Ökosysteme, was schädliche Algenblüten und sauerstoffarme Todeszonen in Gewässern verursacht. Diese Zustände beeinträchtigen die aquatische Umwelt und die menschliche Gesundheit erheblich.
Trotz dieser Problematik bietet Harnstoff aufgrund seiner besonderen Eigenschaften auch Chancen, insbesondere zur Wasserstofferzeugung. Er ist ungiftig, ist wasserlöslich und besitz einen hohen Wasserstoffgehalt von 6,7 Gewichtsprozent. Im Vergleich zur Wasserelektrolyse ist die Harnstoff-Elektrolyse zur Produktion von Wasserstoff energieeffizienter und kostengünstiger.
Schwachpunkt bisheriger Harnstoff-Elektrolyse
Das Hauptproblem der Harnstoff-Elektrolyse bestand bisher in der fehlenden Verfügbarkeit von kostengünstigen und effizienten Elektrokatalysatoren, die spezifisch Harnstoff statt Wasser oxidieren. Dieses Hindernis wurde vom Forschungsteam überwunden. Das Team entwickelte Elektrokatalysatoren aus einer synergetischen Kombination von Nickel- und Kobaltatomen. Diese besitzen spezifische elektronische Strukturen, die eine gezielte Elektrooxidation von Harnstoff ermöglichen.
In ihrer Studie untersuchte das Team des WPI homogene Verbindungen aus Nickel- und Kobaltoxiden sowie -hydroxiden. Dabei stellten die Forscher fest, dass eine Optimierung der einzigartigen elektronischen Strukturen, insbesondere durch Fokussierung auf Ni2+- und Co3+-Ionen, entscheidend ist, um die elektrochemische Aktivität zu steigern und eine selektive Oxidation von Harnstoff zu erreichen.
Elektronische Konfiguration entscheidender Faktor
„Diese elektronische Konfiguration ist ein entscheidender Faktor, um die Selektivität der Harnstoffoxidation zu verbessern, denn wir haben festgestellt, dass eine höhere Nickelvalenz, wie Ni3+, zwar zu einer schnellen Reaktion mit einer starken Stromabgabe beiträgt, ein großer Teil des Stroms jedoch aus der unerwünschten Wasseroxidation stammt“, so Xiaowei Teng vom WPI.
Um den untersuchten Effekt eingehender zu analysieren, kooperierte die Forschungsgruppe um Teng mit Aaron Deskins, einem Professor für Chemieingenieurwesen am Worcester Polytechnic Institute (WPI). Professor Deskins führte umfangreiche Berechnungssimulationen durch.
Seine Ergebnisse zeigten, dass eine gleichmäßige Mischung aus Nickel- und Kobaltoxiden sowie -hydroxiden dazu beiträgt, Elektronen von Nickel- zu Kobaltspezies umzuverteilen. Diese Umverteilung erhöht die Energie der Valenzelektronen. Infolgedessen reagieren die Nickel-Kobalt-Katalysatoren effektiver mit den Molekülen von Harnstoff und Wasser, da sie eine stärkere Bindungsfähigkeit aufweisen.
Anwendungen und Zukunftsaussichten
Wie bereits geschrieben, ist Harnstoff ein wichtiger Stickstoffdünger und Futtermittelzusatz. Er wird seit den 1920er Jahren kommerziell genutzt. Im Jahr 2021 belief sich die globale Produktion auf etwa 180 Millionen Tonnen. Harnstoff kann aus natürlichen Quellen gewonnen werden, so produziert eine Person täglich eineinhalb Liter Urin. Umgerechnet auf das Jahr, entspricht das einem Wert von 11 kg Harnstoff oder 0,77 kg Wasserstoffgas. ochgerechnet könnten allein aus dem Harnstoff der deutschen Bevölkerung jährlich rund 60.000 Tonnen Wasserstoff hergestellt werden.
Für ihre Studie untersuchten die Forschenden, wie Harnstoff aus Abfallprodukten effizient zur Wasserstoffproduktion genutzt werden kann, indem sie ihn mittels Elektrolyse spalten und aus Wasser extrahieren. Durch diese Methode verspricht sich das Team, die Nachhaltigkeit von Ökosystemen zu stärken. Zudem glaubt das Team, dass ihre neuen Erkenntnisse zu einer Revolution in der Verbindung zwischen Wasser- und Energiemanagement führen könnten.
Wie das Forschungsteam herausgefunden hat, ist für die Optimierung dieses Prozesses die elektronische Konfiguration entscheidend. Insbesondere eine höhere Valenz des Nickels, wie bei Ni3+, fördert eine rasche Reaktion und starke Stromerzeugung. Allerdings resultiert ein beachtlicher Teil dieser Elektrizität aus der unerwünschten Oxidation von Wasser, was die Effizienz des Gesamtprozesses beeinträchtigt.
Idee „Urin als Treibstoff“ nicht neu
Bereits im Jahr 2009 entwickelte die Chemikerin Gerardine Botte ein Verfahren, um mittels Elektrolyse aus Urin Wasserstoff zu gewinnen. Sie erläuterte damals, dass Urin durch den hohen Gehalt an Harnstoffmolekülen eine effizientere Quelle für Wasserstoff sei. Im Gegensatz zu Wasser, wo Wasserstoffatome fest gebunden sind, lassen sich die Wasserstoffatome im Harnstoff leichter abspalten.
Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens ist der Einsatz eines kostengünstigen Katalysators. Botte verwendete eine neuartige nickelbasierte Elektrode und benötigte lediglich eine Spannung von 0,37 Volt für die Elektrolyse – deutlich weniger als die 1,23 Volt, die für die Wasser-Elektrolyse nötig sind. Die einzigen Vorbehalte gegenüber Urin hatte die Forscherin aufgrund des hohen Salzgehaltes.
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