Ohne externe Energiequelle 01.06.2022, 07:00 Uhr

Innovative Wasserstoff-Produktion: Sonnenenergie nutzen – ohne Solarmodule

Forschende der TU Wien lassen den Umweg der Photovoltaik-Anlagen einfach weg, um grünen Wasserstoff herzustellen. Sie nutzen stattdessen eine photokatalytische Methode. Haben Sie die Lösung für die Energiewende gefunden?

illu Cluster

Zu sehen sind hier Strukturmodelle der beiden Cluster, die an der Aufspaltung von Wasser mit Hilfe von Licht beteiligt sind.

Foto: TU Wien

Es ist kein Geheimnis, dass Wasserstoff als einer der Hoffnungsträger für die Energiewende gilt. Er ist zwar noch mit einigen Problemen behaftet, aber für viele Bereiche gibt es bereits vielversprechende Lösungsansätze. Auch Forschende der TU Wien sind wieder ein gutes Stück vorangekommen. Sie wollen die Wasserstoff-Produktion nämlich von externen Energiequellen entkoppeln. Im Grunde genommen erschaffen sie auf diese Weise eine neue Form der Produktion von erneuerbaren Energien. Der Trick ist die sogenannte photokatalytische Methode.

Wasserstoff kann durch Katalysatoren hergestellt werden

Grüner Wasserstoff, der also keine CO2-Emissionen verursacht, wird in der Regel über eine Elektrolyse hergestellt. Wasser wird also aufgespalten in Wasserstoff und Sauerstoff. Der elektrische Strom, der die Elektrolyse antreibt, stammt meistens aus erneuerbaren Energiequellen wie Windkraft oder Solarenergie.

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Den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Wien ist das viel zu kompliziert. Sie wollen mithilfe des Sonnenlichts das Wasser direkt aufspalten, also auf den Zwischenschritt der Elektrolyse – und den Strom aus Photovoltaikanlagen – verzichten. Benötigt werden dafür geeignete Katalysatoren. Das Konzept ist nicht neu, hat bisher in der Praxis aber keine Relevanz, weil es noch nicht im industriellen Maßstab umgesetzt wird. Das können sich nun ändern. Denn die Forschenden haben eine neue Kombination von Katalysatoren gefunden, die relativ günstig, aber effizient sind.

Spezielle atomare Cluster dienen als Katalysatoren

Was steckt dahinter? „Eigentlich hat man es mit zwei Aufgaben gleichzeitig zu tun“, erklärt Alexey Cherevan, der am Institut für Materialchemie der TU Wien die Forschungsgruppe für Photokatalyse leitet. „Wir müssen über Sauerstoff und über Wasserstoff nachdenken. Die Sauerstoffatome des Wassers müssen in O2-Moleküle umgewandelt werden, und die übrigbleibenden Wasserstoff-Ionen – also einfach Protonen – müssen zu H2 Molekülen werden.“

Das ist dem Team gelungen, und zwar durch anorganische Cluster, die aus einer kleinen Zahl von Atomen bestehen. Für die benötigten Vorgänge werden zwei verschiedene Cluster eingesetzt. Kobalt, Wolfram und Sauerstoff bilden die Grundlage für die Cluster, eine Oxidation von Sauerstoff auslösen. Die Wasserstoffmoleküle wiederum werden über Cluster produziert, die aus Schwefel und Molybden zusammengesetzt sind.

Damit das System funktioniert, werden die Cluster auf einer lichtabsorbierenden Unterstruktur angebracht, in diesem Fall auf Titanoxid. Darunter befindet sich eine spezielle Halbleiterstruktur.

Prozess der Wasserstoff-Produktion lässt sich genau analysieren

Alexey Cherevan erklärt das Prinzip: „Titanoxid reagiert auf Licht, das war bereits bekannt. Die Energie des absorbierten Lichts führt dazu, dass im Titanoxid frei bewegliche Elektronen und frei bewegliche positive Ladungen entstehen. Diese Ladungen ermöglichen dann den Atomclustern, die auf dieser Oberfläche sitzen, die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu erleichtern.“

Der Schlüssel für den Erfolg der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ist das Titanoxid. Nach eigenen Angaben waren sie die Ersten, die ihre Cluster dort platziert haben, um sie als gemeinsame Katalysatoren nutzen zu können. Außerdem haben sie die exakte Struktur der Cluster präzise festgelegt. „Andere Forschungsgruppen, die an ähnlichen Prozessen arbeiten, verwenden Nanopartikel, die ganz unterschiedliche Formen und Oberflächeneigenschaften annehmen können“, sagt Cherevan. In der Praxis sei es schwer, damit zu arbeiten. Denn die Atome seien nicht immer exakt gleich angeordnet, was es schwerer mache, den Katalyseprozess zu beurteilen. Das sei aber nötig, um die Prozesse zu optimieren und eine möglichst effiziente Struktur zu finden. Denn das sei der nächste Schritt: Die genaue Zusammensetzung der Materialien weiter zu verbessern.

Einfachheit der Wasserstoff-Herstellung könnte ihr zum Durchbruch verhelfen

Die Forschenden haben keinen Zweifel daran, dass in ihrer Methode der Wasserstoff-Produktion großes Potenzial steckt. Schließlich würde dafür keine externe Energiequelle wie eine Photovoltaikanlage benötigt, auch eine Elektrolysezelle sei verzichtbar. Unterm Strich funktioniere die photokatalytische Wasserspaltung mit einer beschichteten Oberfläche, die von Wasser bedeckt ist und von der Sonne bestrahlt wird.

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Ein Beitrag von:

  • Nicole Lücke

    Nicole Lücke macht Wissenschaftsjournalismus für Forschungszentren und Hochschulen, berichtet von medizinischen Fachkongressen und betreut Kundenmagazine für Energieversorger. Sie ist Gesellschafterin von Content Qualitäten. Ihre Themen: Energie, Technik, Nachhaltigkeit, Medizin/Medizintechnik.

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