Nennen Sie es die grünste aller grünen Energien. Wissenschaftler haben lange versucht, nur Sonne und Wasser zur Energieerzeugung zu nutzen, ähnlich wie es Pflanzen tun, wenn sie Photosynthese betreiben. Aber das Verfahren – bei dem Sonnenlicht zur Spaltung von Wassermolekülen verwendet wird – war zu ineffizient, um wirtschaftlich rentabel zu sein. Ein neuer Vorschuss könnte das ändern.
Frühere Versuche, die Energie der Sonne zu nutzen, um Wassermoleküle zu spalten, stießen auf mehrere Probleme. Der Prozess erfordert energiereiche Photonen, um die Bindungen zwischen den Wasserstoff- und Sauerstoffatomen des Wassers zu durchtrennen. Kürzerwellige und damit energiereichere Photonen aus ultraviolettem und sichtbarem Licht können die Aufgabe erfüllen. Aber die Infrarot-Photonen der Sonne, die etwa 50 % derjenigen ausmachen, die die Erde erreichen, sind nicht energiereich genug.
Solare Wasserspalter versuchen dies mit zwei Strategien zu umgehen. Die erste und effizienteste beinhaltet die Verwendung einer Vorrichtung, die als photoelektrochemische Zelle (PEC) bezeichnet wird. Diese sind ein bisschen wie Batterien, mit zwei Elektroden, die in einen flüssigen Elektrolyten getaucht sind. Eine Elektrode wirkt wie eine Mini-Solarzelle, absorbiert Sonnenlicht und nutzt die Energie, um elektrische Ladungen zu erzeugen. Diese Ladungen werden dann Katalysatoren an den Elektroden zugeführt, um Wassermoleküle zu spalten und an einer Elektrode Wasserstoffgas und an der anderen Sauerstoffgas zu erzeugen.
Die besten PECs können fast ein Viertel der Sonnenenergie in Wasserstoffbrennstoff umwandeln. Aber sie erfordern den Einsatz von ätzenden Elektrolyten, die den lichtabsorbierenden Halbleiter schnell zerreißen.
Eine zweite Strategie, die als monolithische photokatalytische Zelle bezeichnet wird, verzichtet auf den batterieähnlichen Aufbau und taucht einfach einen lichtabsorbierenden Halbleiter in Wasser. Der Halbleiter absorbiert Sonnenlicht und erzeugt elektrische Ladungen, die katalytischen Metallen auf seiner Oberfläche zugeführt werden, die dann Wassermoleküle spalten. Da der entstehende Wasserstoff und Sauerstoff jedoch direkt nebeneinander entstehen, können sie leicht miteinander reagieren und Wasser reformieren.
Das hat die Effizienz dieser photokatalytischen Wasserspalter auf die Umwandlung von nur etwa 3 % der von der Sonne einfallenden Energie in nutzbaren Wasserstoffbrennstoff begrenzt. Eine Problemumgehung könnte darin bestehen, die Halbleiter einfach größer zu machen, wie herkömmliche Solarmodule. Aber Halbleiter, die Wasser spalten können, sind viel teurer als herkömmliche Silizium-Solarmodule, was diese Option zu kostspielig macht.
In der neuen Studie haben Forscher unter der Leitung von Zetian Mi, einem Chemiker an der University of Michigan, Ann Arbor, ihre photokatalytische Ausrüstung optimiert. Über ihrem Aufbau platzierten sie eine Linse von der Größe eines typischen Hausfensters. Dadurch wurde das Sonnenlicht auf eine 100-fach kleinere Fläche fokussiert, was es ihnen ermöglichte, die Größe und die Kosten ihres wasserspaltenden Halbleiters zu reduzieren. Das intensive Sonnenlicht erzeugte dann elektrische Ladungen im Halbleiter, die an darauf gestreute nanoskalige Metallkatalysatoren weitergegeben wurden, die dann die Wasserspaltungsreaktionen durchführten.
Mis Team erhöhte auch die Temperatur des zu spaltenden Wassers auf 70 °C, wodurch verhindert wurde, dass die meisten Wasserstoff- und Sauerstoffgase miteinander reagierten, um Wasser zu reformieren. Die neueste Iteration ihres Geräts nutzt nicht nur die sichtbaren und ultravioletten Photonen, die Wasser spalten können, sondern auch die weniger energiereichen Infrarotphotonen.
Die kombinierten Änderungen ermöglichten es den Wissenschaftlern, 9,2 % der Sonnenenergie in Wasserstoffbrennstoff umzuwandeln. etwa dreimal mehr als frühere photokatalytische Aufbautensie melden sich heute in Natur.
„Das ist eine ziemliche Leistung“, fügt Peidong Yang hinzu, ein Chemiker an der University of California, Berkeley, dessen Team vor 20 Jahren Pionierarbeit bei der photokatalytischen Wasserspaltung leistete, aber an der aktuellen Arbeit nicht beteiligt war. Todd Deutsch, Experte für Wasserspaltung am National Renewable Energy Laboratory, fügt hinzu, dass der Wirkungsgrad jetzt in Schlagdistanz zum 10-Prozent-Ziel liegt, das wahrscheinlich erforderlich ist, um diese Geräte kommerziell rentabel zu machen.
Dennoch steht das neue Setup vor kommerziellen Herausforderungen, sagt Deutsch. Es entsteht beispielsweise ein explosionsfähiges Gemisch aus Wasserstoff- und Sauerstoffgasen. Eine kommerzielle Version müsste diese Gase trennen, bemerkt er, was die Kosten erhöht.
Wenn solche Geräte es schließlich auf den Markt schaffen, müssten Ingenieure wahrscheinlich riesige solare Wasserspaltungsfarmen errichten, um genug Wasserstoff zu erzeugen, um Fahrzeugflotten, Industrieöfen und kommerzielle Brennstoffzellen anzutreiben, die den Wasserstoff in Strom umwandeln könnten, der zugeführt werden könnte das Gitter. Dieser Tag bleibt fern, stellt Mi fest.
Angesichts der Tatsache, dass photokatalytische Wasserspaltungszellen einfacher zu konstruieren sind als PECs, sollte dies ihre Massenproduktion viel billiger machen, sagt Mi. Außerdem funktioniert das neue Setup auch gut, wenn auch etwas weniger effizient, mit Meerwasser, einer billigen und unerschöpflichen Ressource. In der Lage zu sein, Meerwasser kostengünstig in kohlenstofffreien Kraftstoff umzuwandeln, wäre wirklich die ultimative grüne Energie.