26.03.2021 - Linköping University

Neues poröses Material ist vielversprechend für die Gewinnung erneuerbarer Energie aus Wasser

Herstellung von Wasserstoffgas aus Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht

Eine potenzielle Quelle für erneuerbare Energie ist Wasserstoffgas, das mit Hilfe von Sonnenlicht aus Wasser hergestellt wird. Forscher der Universität Linköping, Schweden, haben ein Material, nanoporöses kubisches Siliziumkarbid, entwickelt, das vielversprechende Eigenschaften aufweist, um Sonnenenergie einzufangen und Wasser für die Wasserstoffgasproduktion zu spalten.

"Neue nachhaltige Energiesysteme werden benötigt, um die globalen Energie- und Umweltherausforderungen zu bewältigen, wie z. B. die steigenden Kohlendioxidemissionen und den Klimawandel", sagt Jianwu Sun, Senior Lecturer in der Abteilung für Physik, Chemie und Biologie an der Universität Linköping, der die neue Studie geleitet hat.

Wasserstoff hat eine Energiedichte, die dreimal so hoch ist wie die von Benzin. Er kann mit Hilfe einer Brennstoffzelle zur Stromerzeugung verwendet werden, und mit Wasserstoff betriebene Autos sind bereits kommerziell erhältlich. Wird Wasserstoffgas zur Energiegewinnung genutzt, entsteht als einziges Produkt reines Wasser. Im Gegensatz dazu entsteht bei der Herstellung des Wasserstoffs jedoch Kohlendioxid, da die heute meist genutzte Technik für den Prozess auf fossile Brennstoffe angewiesen ist. So werden bei der Herstellung von 1 Tonne Wasserstoffgas 9-12 Tonnen Kohlendioxid emittiert.

Die Herstellung von Wasserstoffgas durch Aufspaltung von Wassermolekülen mit Hilfe von Sonnenenergie ist ein nachhaltiger Ansatz, der Wasserstoffgas mit Hilfe von erneuerbaren Quellen liefern könnte, ohne zu Kohlendioxidemissionen zu führen. Ein großer Vorteil dieser Methode ist die Möglichkeit, Sonnenenergie in speicherbaren Kraftstoff umzuwandeln.

"Herkömmliche Solarzellen produzieren tagsüber Energie, die entweder sofort verbraucht oder z. B. in Batterien gespeichert werden muss. Wasserstoff ist eine vielversprechende Energiequelle, die auf die gleiche Weise gespeichert und transportiert werden kann wie herkömmliche Kraftstoffe wie Benzin und Diesel", sagt Jianwu Sun.

Es ist jedoch keine einfache Aufgabe, Wasser mit der Energie des Sonnenlichts zu spalten, um Wasserstoffgas zu erzeugen. Damit dies gelingt, müssen kosteneffiziente Materialien gefunden werden, die die richtigen Eigenschaften für die Reaktion haben, bei der Wasser (H2O) durch Photoelektrolyse in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) gespalten wird. Die Energie im Sonnenlicht, die zur Spaltung von Wasser genutzt werden kann, liegt meist in Form von ultravioletter Strahlung und sichtbarem Licht vor. Daher wird ein Material benötigt, das diese Strahlung effizient absorbieren kann, um Ladungen zu erzeugen, die getrennt werden können und genug Energie haben, um die Wassermoleküle in Wasserstoff- und Sauerstoffgase zu spalten. Die meisten bisher untersuchten Materialien sind entweder ineffizient in der Nutzung der Energie des sichtbaren Sonnenlichts (Titandioxid, TiO2, zum Beispiel absorbiert nur ultraviolettes Sonnenlicht) oder haben nicht die notwendigen Eigenschaften, um Wasser in Wasserstoffgas aufzuspalten (zum Beispiel Silizium, Si).

Die Arbeitsgruppe von Jianwu Sun hat kubisches Siliziumkarbid, 3C-SiC, untersucht. Die Wissenschaftler haben eine Form von kubischem Siliziumkarbid hergestellt, die viele extrem kleine Poren hat. Das Material, das sie als nanoporöses 3C-SiC bezeichnen, hat vielversprechende Eigenschaften, die darauf hindeuten, dass es zur Herstellung von Wasserstoffgas aus Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht verwendet werden kann. Die vorliegende Studie wurde in der Fachzeitschrift ACS Nano veröffentlicht. Darin zeigen die Forscher, dass dieses neue poröse Material ultraviolettes und den größten Teil des sichtbaren Sonnenlichts effizient einfangen und ernten kann. Darüber hinaus fördert die poröse Struktur die Trennung von Ladungen, die die erforderliche Energie haben, während die kleinen Poren eine größere aktive Oberfläche ergeben. Dies verbessert den Ladungstransfer und erhöht die Anzahl der Reaktionsstellen, wodurch die Effizienz der Wasserspaltung weiter gesteigert wird.

"Das wichtigste Ergebnis, das wir gezeigt haben, ist, dass nanoporöses kubisches Siliziumkarbid eine höhere Ladungstrennungseffizienz hat, wodurch die Spaltung von Wasser zu Wasserstoff viel besser ist als bei der Verwendung von planarem Siliziumkarbid", sagt Jianwu Sun.

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