14.07.2021 - Nagoya Institute of Technology (NITech)

Ein "Tandem" für die solare Wasserspaltung

Forscher kombinieren zwei vielversprechende Photokatalysatoren, um einen höheren Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Wasserstoff und eine längere Lebensdauer in einer Wasserspaltungszelle zu erreichen

Die Abkehr von fossilen Brennstoffen ist notwendig, wenn wir eine Umweltkrise aufgrund der globalen Erwärmung abwenden wollen. Sowohl die Industrie als auch die Wissenschaft haben sich stark auf Wasserstoff als eine machbare, saubere Alternative konzentriert. Wasserstoff ist praktisch unerschöpflich und erzeugt bei seiner Nutzung zur Energiegewinnung nur Wasserdampf. Um jedoch eine wirklich umweltfreundliche Wasserstoffgesellschaft zu realisieren, müssen wir in der Lage sein, Wasserstoff überhaupt erst einmal sauber in Massenproduktion herzustellen.

Eine Möglichkeit dazu ist die Wasserspaltung durch "künstliche Photosynthese", ein Prozess, bei dem Materialien, sogenannte "Photokatalysatoren", die Sonnenenergie nutzen, um aus Wasser Sauerstoff und Wasserstoff zu erzeugen. Allerdings sind die verfügbaren Photokatalysatoren noch nicht da, wo sie sein müssten, um die solarbetriebene Wasserspaltung wirtschaftlich und skalierbar zu machen. Um sie dorthin zu bringen, sollten zwei Hauptprobleme gelöst werden: der geringe Wirkungsgrad der Umwandlung von Sonne in Wasserstoff (STH) und die unzureichende Haltbarkeit der photoelektrochemischen Wasserspaltungszellen.

Am Nagoya Institute of Technology, Japan, haben Professor Masashi Kato und seine Kollegen hart daran gearbeitet, Photokatalysatoren auf die nächste Stufe zu heben, indem sie neue Materialien und deren Kombinationen erforscht und Einblicke in die physikalisch-chemischen Mechanismen gewonnen haben, die ihren Leistungen zugrunde liegen. In ihrer neuesten Studie, die in der Fachzeitschrift Solar Energy Materials and Solar Cells veröffentlicht wurde, ist es Dr. Kato und seinem Team nun gelungen, genau das zu erreichen, indem sie Titanoxid (TiO2) und kubisches SiC vom p-Typ (3C-SiC), zwei vielversprechende Photokatalysator-Materialien, zu einer Tandemstruktur kombiniert haben, die eine äußerst langlebige und effiziente Wasserspaltungszelle ergibt.

Die Tandemstruktur, die das Team in seiner Studie untersuchte, hat beide Photokatalysator-Materialien in Reihe, wobei ein halbtransparentes TiO2 als Photoanode und 3C-SiC als Photokathode fungiert. Da jedes Material Sonnenenergie in unterschiedlichen Frequenzbändern absorbiert, kann die Tandemstruktur die Umwandlungseffizienz der Wasserspaltzelle deutlich erhöhen, da mehr des einfallenden Lichts Ladungsträger anregen und die notwendigen Ströme erzeugen kann.

Das Team maß die Auswirkungen der angelegten externen Spannung und des pH-Werts auf die in der Zelle erzeugten Photoströme und führte anschließend Experimente zur Wasserspaltung bei unterschiedlichen Lichtintensitäten durch. Sie maßen auch die erzeugten Mengen an Sauerstoff und Wasserstoff. Die Ergebnisse waren sehr ermutigend, wie Dr. Kato bemerkt: "Die gemessene maximale Photonen-zu-Strom-Effizienz bei angelegter Vorspannung betrug 0,74 %. Mit diesem Wert und der beobachteten Lebensdauer von etwa 100 Tagen gehört unser Wasserspaltungssystem zu den besten derzeit verfügbaren." Darüber hinaus gaben die Ergebnisse dieser Studie Hinweise auf einige der möglichen Mechanismen, die hinter der beobachteten Leistung der vorgeschlagenen Tandemstruktur stehen.

Weitere Forschung ist notwendig, um die photoelektrochemischen Wasserspaltungssysteme weiter zu verbessern, bis sie auf breiter Basis eingesetzt werden können. Dennoch ist diese Studie eindeutig ein Schritt in Richtung einer sauberen Zukunft. "Unsere Beiträge sollen die Entwicklung von künstlichen Photosynthese-Technologien beschleunigen, die Energieressourcen direkt aus Sonnenlicht erzeugen sollen. So können unsere Erkenntnisse bei der Verwirklichung nachhaltiger Gesellschaften helfen", so Dr. Kato über seine Vision.

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