Maßgeschneiderte Membranen für die Umwelt

In technischen Systemen lassen sich mit Membranen Gase trennen – effizienter und kostengünstiger als mit etablierten Verfahren. Membransysteme ermöglichen so die Abtrennung von schädlichen Klimagasen mit vergleichsweise geringen Verlusten. Gleichzeitig lässt sich so hochreiner Wasserstoff für saubere Energieerzeugung und -speicherung gewinnen. Dies macht keramische Membranen zu einer Schlüsseltechnologie der Energiewende.

Eine Möglichkeit, den Wasserstoff aus Gasgemischen abzutrennen, ist eine sogenannte Zweiphasen-Membran. „Diese besteht aus zwei keramischen Materialien. Die einzelnen Körnchen haben nur eine Größe von einem tausendstel Millimeter und weisen einerseits eine ionische und anderseits eine elektronische Leitfähigkeit auf“, erklärt Dr. Mariya Ivanova vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung.

Die Bestandteile des Wasserstoffs, Protonen und Elektronen, werden so einzeln durch die Membran transportiert. Auf der anderen Seite setzen sie sich zu hochreinem Wasserstoff zusammen. Möglich ist dies durch maßgeschneiderte Fehlstellen im Kristallgitter der Keramiken, die durch Protonen besetzt werden. Diese Protonen, angetrieben durch Druckunterschiede und Temperatur, werden durch das Material der Membran geleitet.

„Sie docken an einem Sauerstoff-Ion an, und springen in Richtung des geringeren Drucks zum nächsten Sauerstoff-Ion, von Fehlstelle zu Fehlstelle, bis sie auf der anderen Seite wieder zu elementarem Wasserstoff formiert werden“, sagt Mariya Ivanova. „Die Elektronen werden durch den zweiten Bestandteil der Keramik transportiert und sorgen für einen Ladungsausgleich.“

Doch das Verfahren weist noch einige entscheidende Schwächen auf. Für die Wasserstoffabtrennung sind hohe Temperaturen notwendig, was sie energieaufwändig macht. Außerdem sind die bisher untersuchten Membranen in einer kohlenstoffhaltigen Umgebung nicht stabil und werden unbrauchbar. Auch die Rate des Wasserstoffdurchflusses ist noch nicht hoch genug.

Doch die Forscher um Mariya Ivanova haben wichtige Fortschritte gemacht: Durch das gezielte Einbringen von Fremdatomen in das Kristallgitter ist ihre Membran stabiler und bei niedrigeren Temperaturen einsetzbar. Der größte Erfolg ist jedoch der gesteigerte Wasserstoffdurchfluss. „Er ist beinahe doppelt so hoch wie bei allen bisher dokumentierten Fällen“, freut sich Ivanova.

Die Jülicher Membranen für die Messungen sind nur so groß wie ein 10-Cent-Stück, und einen halben Millimeter dick. „An einen industriellen Einsatz ist noch nicht zu denken“, erklärt Ivanova. „Wir forschen weiter, suchen nach dem geeigneten Material, mit großer Durchflussrate und Stabilität und geringen Kosten. Der nächste Schritt ist danach die Vergrößerung der Komponentengröße um einen wirtschaftlichen Einsatz zu gewährleisten.“ Die Forscher wollen zunächst eine Fläche zehn mal zehn Quadratzentimeter erreichen.
Originalpublikation:

„Hydrogen separation through tailored dual phase membranes with nominal composition BaCe0.8Eu0.2O3-δ:Ce0.8Y0.2O2-δ at intermediate temperatures“ by Mariya E. Ivanova, Sonia Escolástico, Maria Balaguer, Justinas Palisaitis, Yoo Jung Sohn, Wilhelm A. Meulenberg, Olivier Guillon, Joachim Mayer & Jose M. Serra, DOI: 10.1038/srep34773

Ansprechpartner:

Dr. Eng. Mariya E. Ivanova
Teamleiterin Wasserstoffpermeable Membranen
Telefon: 02461 61-5194
E-Mail: m.ivanova@fz-juelich.de

Prof. Dr. Olivier Guillon
Direktor des Instituts für Energie- und Klimaforschung (IEK-1): Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren
Telefon: 02461 61-5181
E-Mail: o.guillon@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Dr. Regine Panknin
Unternehmenskommunikation
Telefon: 02461 61-9054
E-Mail: r.panknin@fz-juelich.de

http://www.fz-juelich.de/iek/iek-1/DE/Home/home_node.html Institut für Energie- und Klimaforschung: Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1)
http://www.fz-juelich.de/iek/iek-1/DE/Forschung/Gastrennmembrane/_node.html Forschungsfeld Gastrennmembranen am IEK-1