Mehr Wasserstoff und bessere Brennstoffzellen: Grundlagen neu betrachtet

Gibt ein Wassermolekül ein Proton ab, wird daraus Hydroxid. Ein solches Proton nimmt allerdings gern ein Elektron mit. Und ein Proton zusammen mit einem Elektron ergibt am Ende Wasserstoff, den Stoff, der als wichtiger Bestandteil einer emissionsarmen und umweltverträglicheren Energieerzeugung betrachtet wird.

Dieser Wasserelektrolyse, die Reaktion also, die schlussendlich die Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff beschreibt, ließen sich jetzt einige neue Erkenntnisse entlocken.

Untersucht wurde die Reaktionsgeschwindigkeit, mit welcher Protonen und mithin auch Elektronen ausgetauscht werden. Diese Prozesse sind für den Einsatz von grünem Strom zur Wasserstoffgewinnung ebenso entscheidend wie bei der Umwandlung von Wasserstoff in Strom innerhalb einer Brennstoffzelle.

Selbst Batterien und Akkus funktionieren grundlegend nach diesem Prinzip. Positiv (Protonen) und negativ (Elektronen) geladene Teilchen werden ausgetauscht, konzentrieren sich jeweils auf einer Seite und sorgen damit für einen Potential- beziehungsweise Spannungsunterschied. Es fließt Strom.

Anders als nun zu erwarten, verhalten sich die beiden Teilchen, die aus zwei Wassermolekülen entstehen, ziemlich unterschiedlich. Positiv geladenes Hydronium und negatives Hydroxid im Gleichgewicht sorgen laut der Forschungen am MIT nicht für ein Gleichgewicht der Reaktion.

Stattdessen verläuft der Austausch hin und zurück in der gleichen Geschwindigkeit, wenn der pH-Wert der Lösung bei 10 liegt. Das bedeutet, dass Hydroxid um den Faktor eine Million mal häufiger vorkommt als Hydronium. Erst dann erfolgt der Austausch von Protonen und Elektronen im Gleichklang.

"Unser Ergebnis öffnet tatsächlich die Augen, weil es bedeutet, dass die grundlegende Annahme, mit der Prozesse von Brennstoffzellen bis zur Wasserstofferzeugung betrachtet werden, möglicherweise überdacht werden müssen", meint Yogesh Surendranath, Hauptautor der Studie.

Die Chancen stehen also nicht schlecht, dass viele grundlegende Prozesse der Stromerzeugung mittels chemischer Reaktionen in Brennstoffzellen, Batterien oder Akkus in nächster Zeit ein paar spannende Neuerungen erfahren.