Sind Nickel-Zinn-Katalysatoren die Zukunft?

   

Reaktor mit der oben aufliegenden Heizplatte (A) sowie dem Aufsatz für die anschließende gaschromatographische Analyse (B). (Bild: G. W. Huber, J. W. Shabaker, and J. A. Dumesic, University of Wisconsin-Madison; NSF, DOE)

Platin ist sehr wirksam, allerdings auch sehr teuer (8.000 US Dollar pro pound (0,454 kg)). Ferner gestaltet sich die großtechnische Anwendung schwierig, weil Platin gewöhnlich im Material der Kathode und Anode der Brennstoffzelle enthalten ist. Wir wussten, dass Nickel ebenso wirksam ist. Allerdings entsteht nicht nur Wasserstoff, sondern auch noch reichlich Methan. Mit Zinn als Zusatz, bekannt als Raney-Nickel-Katalysator, verringert sich der Methananteil ohne die Bildung von Wasserstoffgas zu beeinträchtigen
James Dumesic

Die Bedingungen im Reaktor sind moderat: 225 Grad Celsius und 25 bar, wobei die Verdopplung des Drucks keine nennenswerte Verbesserung bringt. Unter diesen Bedingungen ist die Wasserstoff-Ausbeute befriedigend: für Sorbit 51 mol%, Glycerin 64 mol% und Äthylenglykol 70 mol%. Von den drei Prüfsubstanzen entsteht aus Sorbit mit 6-8 mol% am meisten Methan. Die beiden bereits aufgeschlossenen Vergleichsprodukt bilden durch den Zusatz von Zinn zum Nickel nur die Hälfte oder ein Drittel davon.

Das Ergebnis ist nach Auffassung der Wissenschaftler weitaus besser als bei der konventionellen Aufbereitung. Ein weiterer Vorzug der Reaktionsbedingungen ist der fehlende Wasserdampf. Durch den Verzicht auf die sonst notwendige energiezehrende Verdampfung steigt der Wirkungsgrad des neuen Katalysators beträchtlich. Selbst unter dem Aspekt des gefährlichen Kohlenmonoxyds empfiehlt sich die neue Methode. 300 ppm entstehen gemäß der Angaben. James Dumesic verweist auf die demnächst folgende Publikation in der internationale Ausgabe von Angewandte Chemie. Dort wird beschrieben, wie durch die weitere Feinregulation, "ultra-shift process" genannt, der CO Anteil auf 60 ppm verringert werden kann.

Elektronenmikroskopische Analyse des Raney-Nickel-Zinn-Katalysators nach der Reduktion (Bild: G. W. Huber, J. W. Shabaker, and J. A. Dumesic, University of Wisconsin-Madison; NSF, DOE)

Die Zukunft des Nickel-Zinn-Katalysators sieht aus technischer Sicht rosig aus. Zum einen ist die Ausbeute attraktiv, zum anderen bedeutet weniger CO Kontamination zugleich geringere Abnutzung an den Elektroden der Brennstoffzellen. Nochmals optimierte Resultate wird ein zweistufiges Verfahren bringen: "Wir erzeugen zunächst das mit Wasserstoff angereicherte Gasgemisch und beseitigen im zweiten Schritt mit unserem "ultra-shift process" Kohlenmonoxyd."

Anfang des Jahres tönte der Präsident der Vereinigten Staaten, Georges W.Bush:

Die Ergebnisse von James Dumesic und seiner Arbeitsgruppe illustrieren, dass zwischen Vision und Lösung noch viel Unwägbares liegt. Die drei wichtigsten Quellen für Wasserstoffgas sind Wasser, Biomasse oder organischer Abfall, sowie, man darf es nicht zu vergessen, Kohle, Öl und Erdgas. Das Vorzeigemodell ist die saubere Hydrolyse von Wasser. Die Diskussionen um die Katalysatoren zeigen unmissverständlich, dass die Techniker zwischen Kosten, Nutzen und Schaden manövrieren müssen. Die finanzielle Unterstützung, neue Teilergebnisse und viele in die Zukunft geplante Projekte machen vergessen, dass Wasserstoff bereits heute reichlich, wenn nicht gar im Überschuss, vorhanden ist. In den Erdölraffinerien fallen nämlich jährlich Millionen Tonnen durch die Verbrennung von Methan an. Bisher handelt es sich um kostenintensiven Abfall, weil teure Platinkatalysatoren eingesetzt werden, und die Entsorgung mehr Energie verschlingt als das Endprodukt später liefert. Hinzu kommt die unvermeidliche Freisetzung von Kohlendioxyd: 3 Tonnen entstehen, um eine Tonne Wasserstoffgas in den Tank zu bringen.

Bakterien-Hydrolasen sind über Jahrmillionen effizienter geworden als die heutigen Katalysatoren der Techniker (Bild: Cameron Sladen/ Science 14.03.2003)

So recht ökonomisch ist die menschliche Technik nicht. Anders die Natur: in jedem Darm leben Abermilliarden von Bakterien, vornehmlich Escherichia coli, die aus dem Wasser ihre Energie gewinnen, indem sie Wasserstoff erzeugen. Die natürlichen Katalysatoren sind metallhaltige Enzyme, kurz Hydrogenasen. Sie enthalten zumeist zwei Metallatome, die über chemische Kräfte miteinander verbunden sind. "Eisen und Nickel oder auch zwei Eisenatome umgeben von Kohlenmonoxyd und Zyanid," beschrieben Kimberly Bagley vor vier Jahren die Ingredienzen, "dazu kommen noch Schwefelatome von der Aminosäure Cystein."

Der Effekt ist weitaus besser als mit den Platin-Katalysatoren. Die Natur nimmt zwei Protonen und zwei Elektronen und macht daraus ein Molekül Wasserstoff. Indes bringt der Katalysator nur ein Elektron mit einem Proton zusammen und erzeugt anschließend aus zwei neutralen Atomen das Wasserstoffmolekül. Biologen arbeiten deshalb an der "organischen" Lösung, indem sie Bakterien an die Elektroden der Brennstoffzellen gewöhnen und trainieren, Wasser kostengünstig und sauber zu hydrolysieren.

Sind Nickel-Zinn-Katalysatoren wirklich die Zukunft? Arbeitsmediziner und die gewerblichen Berufsgenossenschaften werden sich die Haare raufen. Kein Schwermetall ist allergisierender als Nickel. Wer 50 mg und mehr verspeist oder über Staub inkorporiert, erleidet vielfältige chronische Schäden, ganz abgesehen von der tödlichen Nickelvergiftung. Dazu kommt die längst bewiesene Gefahr: Nickel gehört zu den krebserzeugenden Stoffen. So werden die Techniker beweisen müssen, dass billige Metalle nicht "nachbrennen". Das bedeutet schädliche Emissionen müssen abgefangen, und das verbrauchte Material entsorgt oder unter immensen Aufwand rezirkuliert werden.

Aus dieser Sicht könnte man das Engagement von Georges W.Bush auch so deuten: er will der Erdölindustrie einen zweiten lukrativen Markt erschließen. Wasserstoff soll nicht mehr wie lästiger Abfall an die chemische Industrie verschleudert, sondern als heute und jetzt verfügbarer Edelstoff vermarktet werden. Zudem gibt es dem Politiker die Chance, neue Verfahren zu blockieren, solange Zweifel an gesundheitsschädigenden oder umweltbelastenden Einwirkungen nicht völlig ausgeräumt sind.