Pyroelektrokatalytische Wasserstofferzeugung

Upgrade zur Nutzung der Abwärme

Stromerzeugung über den pyroelektrischen Effekt.
Pyroelektrikum im elektrostatischen Gleichgewicht

Das kristallphysikalische Phänomen der Pyroelektrizität ist seit der Antike bekannt. Damals wurde beobachtet, dass ins Feuer geworfene Turmalinkristalle Asche anzogen und wieder abstießen. Ab dem 17. Jahrhundert wurde der Effekt dann genauer quantifiziert. Die erzeugten Ladungen wurden als Folge von Änderungen der kristallographischen Struktur erklärt.

Pyroelektrika sind eine Untergruppe der Dielektrika. Es handelt sich dabei um elektrisch nichtleitende Materialien, die sich über ein angelegtes elektrisches Feld polarisieren lassen. Dazu zählen kristalline Materialien wie Lithiumniobat und Bariumtitanat, Polymere wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) sowie Biomineralien wie beispielsweise Knochen.

Einzigartig an den Pyroelektrika ist, dass die elektrische Polarisierung über eine Temperaturänderung erfolgt. Sowohl beim Erhitzen als auch Abkühlen werden positive Atome im Material relativ zu den negativ geladenen Atomen verrückt. Diese kleinen Ladungsverschiebungen addieren sich über jede Elementarzelle des Kristalls zu einer makroskopisch messbaren Spannung, U.

Der pyroelektrische Effekt kann zur Umwandlung von thermischer in elektrische Energie genutzt werden (s. Abb. 1). Dabei wird ein pyroelektrischer Kristall mit zwei Elektroden belegt und zeitlichen Temperaturschwankungen ausgesetzt. Die Polarisationsänderung im Material erfordert zur Beibehaltung des elektrischen Gleichgewichtes eine Anpassung der Ladungen auf den Elektroden. Die überschüssigen Ladungen fließen über einen äußeren Leiter zur anderen Seite des Kristalls und können als elektrische Energie abgegriffen werden.

Pyroelektrokatalyse

Es liegt auf der Hand, dass sich die pyroelektrisch generierte Spannung am Kristall auch elektrochemisch einsetzen lässt. Wenn die Metallelektroden entfernt werden, können überschüssige oder fehlende Ladungen am Kristall nur noch über chemische Reaktionen abfließen. Dann wird die eine Seite des Kristalls positiv und oxidierend, die andere Seite negativ und reduzierend. Über Redoxreaktionen findet dabei eine Umwandlung der thermischen Energie in chemische Energie statt.

Generell ist eine Vielfalt an chemischen Reaktionen möglich – von der direkten Zersetzung organischer Stoffe über die Inaktivierung von Bakterien bis hin zur Wasserelektrolyse und somit Wasserstofferzeugung. Der so generierte Wasserstoff könnte anschließend über eine Gasmembran vom Sauerstoff getrennt und in einer Brennstoffzelle energetisch oder in der Industrie stofflich verwertet werden.

Im Vergleich zur herkömmlichen Elektrolyse mithilfe von Strom ist die Pyroelektrokatalyse deshalb interessant, weil sie mit Abwärme – sogar Niedertemperaturabwärme unter 100 °C – als Energiezufuhr auskommt. Derartige Abwärme steht beispielsweise bei Abgasen im Transportsektor, in der Lebensmittelindustrie oder bei Kraftwerken bereit. Bei weltweit anfallenden Abwärmemengen in der Größenordnung von Exajoule pro Jahr (rund 500*10^18 J = 500 EJ, Forman 2016) sind die Aussichten auf eine „energieneutrale“ Abwasserbehandlung und Wasserelektrolyse attraktiv.

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Autoren: Dr. Mateo U. de Vivanco, Dr. Hartmut Stöcker, Prof. Dr. Dirk C. Meyer, alle von der TU Bergakademie Freiberg


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