Wasser ist eine der kostbarsten Ressourcen der Welt, benötigt in der Industrie, in der Landwirtschaft und für unser alltägliches Überleben – vorausgesetzt, es ist sauber. Entsalzungsbatterien spielen dabei eine entscheidende Rolle. Sie entfernen gelöste Stoffe aus dem Wasser und bereiten es so für verschiedene Anwendungen auf. Aber: „Die Technologie ist ausbauwürdig“, sagt Jun.-Prof. Dr. Hans-Georg Steinrück von der Universität Paderborn. Vor zwei Jahren wurde der Chemiker für seinen Ansatz zur Entwicklung neuer Entsalzungsbatteriekonzepte mit dem Forschungspreis der Universität ausgezeichnet. Jetzt hat er seine Ergebnisse präsentiert.
„Angesichts der steigenden Weltbevölkerung, der zunehmenden Industrialisierung und des Klimawandels könnte der globale Wassermangel in naher Zukunft dramatisch zunehmen“, betont Steinrück. Entsalzungsbatterien gelten für ihn als vielversprechende Hoffnungsträger, um dieser Krise entgegenzuwirken. „Das Verfahren ist relativ einfach: Elektroden nehmen gelöste Bestandteile wie Salz auf und entfernen sie unter Zugabe von elektrischer Energie aus dem Wasser. Knackpunkt ist, dass nicht alle unerwünschten Substanzen restlos entfernt werden können“, so Steinrück weiter.
Deshalb hat sein Team einen neuen Ansatz für Entsalzungsreaktoren entwickelt. Ziel war es, die Bindung der Teilchen zu verbessern, die das Wasser ungenießbar machen, und die Elektroden durch neue Oberflächenschichten leistungsfähiger zu gestalten. Die Forscher*innen um Steinrück haben dafür modernste elektrochemische Methoden sowie Röntgen- und Spektroskopietechniken genutzt, einschließlich der Synchrotron-basierten Hochenergie-Röntgenbeugung, um Veränderungen in den Elektroden zu untersuchen – bis ins allerkleinste Detail.
Ein zentrales Ergebnis ist das atomare Verständnis der Ioneneinlagerung für Entsalzungsbatterien zur Lithiumgewinnung aus Meerwasser. „Das eröffnet die Möglichkeit, Entsalzungsbatterien für eine breitere Palette von Anwendungen zu nutzen. Beispielsweise für die Gewinnung seltener Rohstoffe wie Lithium aus salzhaltigen Thermalwasservorkommen unter der Erde“, erklärt Steinrück.
Ein völlig neues Anwendungsgebiet sind Elektrokatalysatoren, insbesondere für die Wasserstoffproduktion. Hier könnten die Batterien unerwünschte Ionen eliminieren, bevor sie an katalysatorvergiftenden Reaktionen teilnehmen. Das würde energieintensive Schritte zur Wasseraufbereitung erheblich reduzieren. Die Wissenschaftler*innen haben bereits die Effizienz der Batterien und der Wasserspaltung durch Elektrolyse quantifiziert, was vielversprechende Aussichten bietet. Damit ist es möglich, genau zu messen, welche Prozesse zu Ineffizienzen führen.
Steinrück: „Wir haben erste Erkenntnisse über die Funktionsweise von Oberflächenschichten gewonnen, die die Energieeffizienz von Entsalzungsbatterien steigern könnten. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten für zukünftige Elektrodenmaterialien im Kampf gegen den globalen Wassermangel.“
