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Das Licht sehen

Eine Lösung für das Effizienzproblem der künstlichen Photosynthese

07.12.2018

Katsuya Teshima Ph.D., the director of the Center for Energy and Environmental Science, Shinshu University

Photoelektrochemische Wasserspaltung mit Hilfe der "flussmittelgewachsenen Fotoanode" zur effizienten Umwandlung von Sonnenenergie und Wasser in Wasserstoffkraftstoff.

Wasserstoffbetriebene Elektronik, Reisen und mehr können dank der Arbeit eines kooperierenden Teams von Wissenschaftlern in Japan einen Schritt weiter sein. Die Forscher haben ein neues Verfahren entwickelt, um eine Schlüsselkomponente effizienter zu produzieren, die für die Umwandlung von Sonnenenergie und Wasser in Wasserstoffbrennstoff benötigt wird, ein Verfahren, das als photoelektrochemische Wasserspaltung bezeichnet wird.

"Mit dem Überfluss an Sonnenenergie und Wasser ist die photoelektrochemische Wasserspaltung ein vielversprechender Weg, um globale Umwelt- und Energiespeicherprobleme zu lösen", sagte Hauptautor Katsuya Teshima, ein Professor des Department of Materials Chemistry und Direktor des Center for Energy and Environmental Science an der Shinshu University. Teshima ist auch mit der Nagano Präfektur Nanshin Institute of Technology verbunden.

Bei der Wasserspaltung absorbiert eine Fotoanode, die ein Halbleiter und eine Metallkathode ist, Sonnenlicht. Der Halbleiter absorbiert hochenergetische Photonen aus diesem Licht, die die Spaltung der Moleküle um den Halbleiter herum erzwingen. Dadurch löst sich der Sauerstoff vom Wasserstoff und verbindet sich mit anderen freien Sauerstoffmolekülen. Wasserstoff- und Sauerstoffpaare können dann separat zu den entsprechenden Kathoden geleitet werden, die gespeichert und als Energie genutzt werden.

Das Problem ist jedoch, so Teshima und Mitarbeiter Suzuki, dass die ersten vorgeschlagenen Fotoanoden nur UV-Licht absorbieren konnten, das etwa fünf Prozent des Sonnenspektrums ausmacht. Hergestellt aus Titanoxid, sind diese Fotoanoden hocheffizient bei der Umwandlung der von ihnen aufgenommenen Sonnenenergie, aber sie sind keine praktikable Option für den industriellen Einsatz, da sie so wenig Sonnenenergie aufnehmen.

Teshima und sein Team haben sich für Tantalnitrid entschieden, eines der vielversprechendsten lichtreaktiven Materialien für den Einsatz bei der Wasserspaltung. Es kann nicht nur sichtbares Licht absorbieren, sondern auch Licht mit einer Wellenlänge von bis zu 600 Nanometern, was eine noch höhere Lichtabsorption ermöglicht. Die Forscher fertigten zuvor die Tantalnitridkristalle, aber der Prozess war kompliziert und die resultierende Kristallschicht variierte in Dicke und Abdeckung. Solche Unebenheiten können zu ineffizienten oder sogar völlig ineffektiven Wasserspaltungsmaßnahmen führen.

In diesem neuen Versuch legte Teshima die Metall-Tantalproben auf Natriumpulververbindungen und erwärmte sie mit Ammoniakgas bei hohen Temperaturen. Die Forscher konnten steuern, wie gleichmäßig die Natriumverbindungen mit dem Tantal reagierten und wie dick die Kristallschicht wurde, indem sie das Verhältnis der Natriumverbindungen, die Temperatur und die Zeit änderten.

"Unser oberstes Ziel ist es, Wasserstoff- und Sauerstoffgase effizient aus natürlichem Wasser unter Verwendung unserer flussmittelgewachsenen Fotoanode zu erzeugen", sagte Teshima. "Da Umwelt- und Energieprobleme globale Themen sind, wollen wir zu deren Lösung beitragen."

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