Wasserstoff aus der Umgebungsluft herstellen

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Wasserstoff aus der Umgebungsluft herstellen
Chemiker der EPFL haben ein künstliches Solarblatt erfunden, das auf einer neuen transparenten und porösen Elektrode basiert. Sie kann atmosphärisches Wasser ernten und es in Wasserstoff umwandeln. Diese Halbleitertechnologie lässt sich einfach herstellen und in großem Maßstab einsetzen.

Jahrzehntelang träumten Wissenschaftler von einer vollständig durch Sonnenenergie angetriebenen Vorrichtung, die Wasser aus der Atmosphäre sammelt und in Wasserstoff umwandelt. An der EPFL hat der Ingenieur und Chemiker Kevin Sivula einen wichtigen Schritt zur Verwirklichung dieses Konzepts unternommen. Mit seinem Team hat er ein System entwickelt, das ebenso einfach wie genial ist. Es kombiniert innovative Halbleitertechnologien und Elektroden, die zwei Schlüsseleigenschaften aufweisen: Porosität, um den Kontakt mit Wasser aus der Atmosphäre zu maximieren, und Transparenz, um die Sonneneinstrahlung auf die Halbleiterbeschichtung zu optimieren. Unter natürlichem Licht entzieht das Gerät Wasser aus der Umgebungsluft und erzeugt Wasserstoff. Die Ergebnisse werden [Datum] in Advanced Materials veröffentlicht.

Worin liegt die Innovation? In den Gasdiffusionselektroden, die transparent, porös und leitfähig sind. Sie ermöglichen es der Solartechnologie, Wasser, das in der Luft gasförmig vorkommt, in Wasserstoff umzuwandeln.

"Für eine nachhaltige Gesellschaft müssen wir neue Wege finden, um erneuerbare Energien in einer chemischen Form zu speichern, die wir als Treibstoff oder Rohstoff für die Industrie verwenden können", erklärt der Hauptautor der Studie, Kevin Sivula vom EPFL-Labor für Molecular Engineering of Optoelectronic Nanomaterials. Tageslicht ist die am häufigsten vorkommende Form von erneuerbarer Energie, und wir bemühen uns, wirtschaftlich tragfähige Wege zur Herstellung von Solarkraftstoffen zu entwickeln."

Inspiriert von den Blättern der Pflanzen

Bei ihrer Arbeit an erneuerbaren, nicht fossilen Brennstoffen haben sich die Ingenieure der EPFL in Zusammenarbeit mit Toyota Motor Europe von der Fähigkeit der Pflanzen inspirieren lassen, das Tageslicht in chemische Energie umzuwandeln, indem sie das in der Atmosphäre vorhandene Kohlendioxid nutzen. Im Großen und Ganzen ernten Pflanzen CO2 und Wasser aus ihrer Umgebung und wandeln diese Moleküle dann mithilfe des Energieimpulses des Sonnenlichts in Zucker und Stärke um. Dieser Vorgang wird als Photosynthese bezeichnet.

Die von Kevin Sivula und seinem Team entwickelten transparenten Gasdiffusionselektroden können mit einem Halbleitermaterial beschichtet werden, das Licht sammelt. Dadurch wirkt es wie ein Blatt, indem es Licht und Wasser aus der Atmosphäre erntet, um Wasserstoff zu erzeugen. Die Sonnenenergie wird in Form von Wasserstoffverbindungen gespeichert.

Anstatt Elektroden auf herkömmliche Weise mit undurchsichtigen Schichten herzustellen, besteht ihr Substrat aus einem dreidimensionalen Netz aus Glasfasern.

Es war schwierig, unseren Prototypen zu entwickeln, da transparente Gasdiffusionselektroden noch nie zuvor demonstriert worden waren", erklärt Marina Caretti, die leitende Autorin der Studie. Für jeden Schritt mussten wir neue Verfahren entwickeln. Da aber jeder Schritt relativ einfach und leicht auf die nächste Stufe zu bringen ist, glaube ich, dass unser Ansatz neue Horizonte für eine Vielzahl von Anwendungen eröffnen wird, beginnend mit gasdiffundierenden Substraten für die solare Wasserstoffproduktion."


Von der Flüssigkeit zur Luftfeuchtigkeit

Kevin Sivula und andere Forschungsgruppen haben bereits gezeigt, dass man eine künstliche Photosynthese betreiben kann, indem man mit einer photoelektrochemischen Zelle (photoelectrochemical (PEC) cell) Wasserstoff aus Wasser und Sonnenlicht erzeugt. Diese Zelle ist allgemein als ein Gerät bekannt, das das einfallende Licht nutzt, um ein lichtempfindliches Material, z. B. einen Halbleiter, anzuregen, das in eine flüssige Lösung getaucht wird, um eine chemische Reaktion zu bewirken. Aus praktischer Sicht hat das Verfahren einige Nachteile. Beispielsweise ist es kompliziert, großflächige PEC-Bauelemente herzustellen, die die Vorteile der Flüssigkeit nutzen.

Kevin Sivula wollte zeigen, dass man die PEC-Technologie anpassen kann, um atmosphärische Feuchtigkeit zu ernten. Das führte zur Entwicklung ihrer Gasdiffusionselektrode. Man konnte zeigen, dass elektrochemische Zellen eher mit Gasen als mit Flüssigkeiten arbeiten. Bisher waren Gasdiffusionselektroden jedoch undurchsichtig und inkompatibel mit der PEC-Solartechnologie.

Die Wissenschaftler beschäftigen sich nun mit der Optimierung des Systems. Was ist die ideale Größe der Fasern? Die perfekte Breite der Poren? Die besten Materialien für Halbleiter und Membranen? Diesen Fragen gehen sie im Rahmen des EU-Projekts "Sun-to-X" nach, das sich mit der Weiterentwicklung der Technologie und der Entwicklung neuer Wege zur Umwandlung von Wasserstoff in flüssige Kraftstoffe befasst.

Transparente Gasdiffusionselektroden herstellen Um transparente Gasdiffusionselektroden herzustellen, begannen die Wissenschaftler mit einer Art Glaswolle. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um Quarzfasern (oder Siliziumoxid), die zu Filzplatten verarbeitet werden, indem sie bei hohen Temperaturen geschmolzen werden. Danach werden die Platten mit einem transparenten Film aus fluorverstärktem Zinnoxid beschichtet. Ein Material, das für seine hervorragende Leitfähigkeit, seine Robustheit und die einfache Massenproduktion bekannt ist. Diese ersten Schritte führen zu einer transparenten, porösen und leitfähigen Platte, die wichtig ist, um den Kontakt mit den Wassermolekülen in der Luft zu maximieren und Photonen durchzulassen. Die Platte wird mit einer weiteren Beschichtung versehen: einem dünnen Film aus lichtabsorbierenden Halbleitermaterialien. Auch diese zweite Schicht ist noch lichtdurchlässig, obwohl sie aufgrund der großen Oberfläche des porösen Substrats undurchsichtig erscheint. In dieser Form kann der Wafer bereits Wasserstoff produzieren, wenn er der Sonne ausgesetzt wird.

Die Wissenschaftler entwickelten weiter eine kleine Kammer, die die Platte sowie eine Membran zur Trennung des erzeugten Gases enthält, um Messungen durchführen zu können. Wenn man die Kammer unter feuchten Bedingungen dem Licht aussetzt, entsteht Wasserstoff. Das war das Ziel der Wissenschaftler. Sie zeigen, dass es möglich ist, eine transparente Gasdiffusionselektrode herzustellen, um Wasserstoff aus Sonnenenergie zu erzeugen.

Die Wissenschaftler haben die Effizienz der Umwandlung in ihrer Demonstration nicht formell untersucht. Das Team ist sich jedoch einig, dass sie bei diesem Prototyp bescheiden bleibt, geringer als das, was flüssigkeitsbasierte PEC-Zellen zu leisten imstande sind. Mit den derzeitigen Materialien liegt der maximale theoretische Wirkungsgrad der Platte für die Solar-Wasserstoff-Umwandlung bei 12%, während für flüssigkeitsbasierte Zellen ein Wirkungsgrad von 19% nachgewiesen wurde.