Sprit aus Wasser und Sonne: Forschern gelingt künstliche Photosynthese

Eine neue Nano-Technologie kann aus Sonnenlicht effizient Wasserstoff erzeugen. Damit könnte Solarenergie chemisch gespeichert werden. Die Nanoteilchen ermöglichen eine Reaktion, bei der rund 80 Prozent des Sonnenlichts direkt in Energie umgewandelt werden.

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Vorbild Pflanze: Die Forscher aus Licht und Wasser Energie in Form von Brennstoffen herstellen. (Foto: Ulrich Stübler/Museum für Naturkunde)

Vorbild Pflanze: Die Forscher wollen aus Licht und Wasser Energie in Form von Brennstoffen herstellen. (Foto: Ulrich Stübler/Museum für Naturkunde)

Ein Team des HZB-Instituts für Solare Brennstoffe hat eine neue Komposit-Photokathode entwickelt, um mit Sonnenlicht effizient Wasserstoff zu erzeugen. Damit könnte die flüchtige Solarenergie sozusagen verflüssigt und somit gespeichert werden.

Manche kennen die elektrolytische Aufspaltung von Wasser vielleicht noch aus der Schule: Hält man zwei Elektroden ins Wasser und legt eine ausreichende Spannung an, dann bilden sich Gasbläschen aus Wasserstoff und Sauerstoff.

Wird diese Spannung nun durch Sonnenlicht in einer Solarzelle erzeugt, dann könnte man die flüchtige Solarenergie speichern, und zwar durch die Erzeugung von Wasserstoffgas. Denn Wasserstoff ist ein „chemischer Energiespeicher“ und vielseitig verwendbar. So werden etwa Brennstoffzellen-Autos mit dem verflüssigten Gas angetrieben.

Weltweit arbeiten Forschungsgruppen daher mit Hochdruck daran, kompakte, robuste und preiswerte Systeme zu entwickeln, die dieses Kunststück beherrschen. Doch das ist nicht einfach: Denn die Wasserstofferzeugung funktioniert am besten in saurer Umgebung, in der Solarzellen schnell rosten. Und Elektroden, die die Reaktion beschleunigen, bestehen bislang aus extrem teuren Elementen wie Platin oder Platin-Iridium-Verbindungen.

Die Photoelektrode des Teams aus dem HZB-Institut für Solare Brennstoffe könnte diese Probleme lösen: Sie besteht aus dem Solarzell-Material Chalkopyrit, das mit einem dünnen, transparenten und leitfähigen Film aus Titandioxid beschichtet ist.

Die Besonderheit: der TiO2-Film ist polykristallin und enthält einen kleinen Anteil an Nanopartikeln aus Platin. Dadurch entfaltet dieses neue Komposit besondere Talente: Es erzeugt erstens bei Lichteinfall eine erhebliche sogenannte Photospannung von fast 0,5 Volt, zweitens hohe Photostromdichten von bis zu 38 mAcm-2, beschleunigt drittens als Katalysator die Wasserstoffbildung und ist viertens vor Korrosion geschützt.

Möglich ist dies, da TiO2 transparent ist, so erreicht ein großes Teil des Lichtes das photoaktive Chalkopyrit: „Mehr als 80 Prozent des einfallenden Sonnenlichts im sichtbaren Spektrum werden in diesem Komposit-System in Photostrom umgewandelt und steht damit zur Wasserstofferzeugung zur Verfügung“, sagt Schedel-Niedrig.

Hinzu kommt die in der Veröffentlichung beschriebene, hohe Langzeitstabilität von über 25 Stunden und die große photoelektrokatalytische Aktivität von ca. 690 erzeugten Wasserstoffmolekülen pro Sekunde und pro aktivem Zentrum auf der Katalysatoroberfläche unter Beleuchtung.

Dennoch gibt es noch viel zu tun. Denn zurzeit kommt ein Großteil der benötigten Spannung von insgesamt ca. 1.8 Volt zwischen der Komposit-Photokathode und der Platin-Gegenelektrode noch aus einer Batterie, der Wirkungsgrad muss also noch verbessert werden.

„Wir konnten jedoch mit dieser Arbeit bereits zeigen, dass solche robusten Systeme das Potenzial haben, in Zukunft autark Solarenergie chemisch zu speichern und haben bereits ein Demonstrator-Gerät zur solaren Wasserstoffentwicklung zusammen mit einer Schweriner Firma im Rahmen des „Light2Hydrogen“-Projektes realisieren können“, so Schedel-Niedrig.

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