Effektivere Produktion von "grünem" Wasserstoff mit neuem Verbundmaterial
Die chemische Reaktion zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser ist um ein Vielfaches effektiver, wenn eine Kombination aus neuen Materialien in drei Schichten verwendet wird, so Forscher der Universität Linköping in Schweden. Aus Wasser gewonnener Wasserstoff ist eine vielversprechende erneuerbare Energiequelle - vor allem, wenn der Wasserstoff mit Hilfe von Sonnenlicht erzeugt wird.
Das Material kann das Sonnenlicht effektiv einfangen, so dass die darin enthaltene Energie durch die photochemische Wasserspaltungsreaktion zur Wasserstofferzeugung genutzt werden kann.
Olov Planthaber/Linköping University
Die Produktion von neuen Benzin- und Dieselfahrzeugen wird in der EU ab 2035 verboten sein. Es wird erwartet, dass sich Elektromotoren in Fahrzeugen immer mehr durchsetzen werden - aber sie sind nicht für alle Arten von Verkehr geeignet.
"Personenkraftwagen können eine Batterie haben, aber schwere Lastkraftwagen, Schiffe oder Flugzeuge können keine Batterie zur Energiespeicherung verwenden. Für diese Verkehrsmittel müssen wir saubere und erneuerbare Energiequellen finden, und Wasserstoff ist ein guter Kandidat", sagt Jianwu Sun, außerordentlicher Professor an der Universität Linköping, der die im Journal of the American Chemical Society veröffentlichte Studie geleitet hat.
Die LiU-Forscher arbeiten an der Entwicklung von Materialien, mit denen sich aus Wasser (H2O) unter Nutzung der Energie des Sonnenlichts Wasserstoff (H2) herstellen lässt.
Das Forscherteam hat bereits gezeigt, dass ein Material namens kubisches Siliziumkarbid (3C-SiC) vorteilhafte Eigenschaften zur Erleichterung der Reaktion aufweist, bei der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Das Material kann das Sonnenlicht effektiv einfangen, so dass die darin enthaltene Energie für die Wasserstoffproduktion durch die photochemische Wasserspaltungsreaktion genutzt werden kann.
In ihrer aktuellen Studie haben die Forscher ein neues kombiniertes Material weiter entwickelt. Das neue Material besteht aus drei Schichten: einer Schicht aus kubischem Siliziumkarbid, einer Schicht aus Kobaltoxid und einem Katalysatormaterial, das bei der Wasserspaltung hilft.
"Es handelt sich um eine sehr komplizierte Struktur, so dass wir uns in dieser Studie darauf konzentriert haben, die Funktion jeder Schicht zu verstehen und herauszufinden, wie sie zur Verbesserung der Eigenschaften des Materials beiträgt. Das neue Material ist bei der Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff achtmal leistungsfähiger als reines kubisches Siliziumkarbid", sagt Jianwu Sun.
Wenn Sonnenlicht auf das Material trifft, werden elektrische Ladungen erzeugt, die dann zur Spaltung von Wasser genutzt werden. Eine Herausforderung bei der Entwicklung von Materialien für diese Anwendung besteht darin, zu verhindern, dass die positiven und negativen Ladungen wieder miteinander verschmelzen und sich gegenseitig neutralisieren. In ihrer Studie zeigen die Forscher, dass das als Ni(OH)2/Co3O4/3C-SiC bezeichnete Material durch die Kombination einer Schicht aus kubischem Siliziumkarbid mit den beiden anderen Schichten die Fähigkeit zur Trennung der Ladungen erhöht und damit die Wasserspaltung effektiver macht.
Heute wird zwischen "grauem" und "grünem" Wasserstoff unterschieden. Fast der gesamte auf dem Markt befindliche Wasserstoff ist "grauer" Wasserstoff, der aus einem fossilen Brennstoff namens Erdgas oder fossilem Gas hergestellt wird. Die Herstellung einer Tonne "grauen" Wasserstoffgases verursacht den Ausstoß von bis zu zehn Tonnen Kohlendioxid, was zum Treibhauseffekt und zum Klimawandel beiträgt. "Grüner" Wasserstoff wird mit erneuerbarem Strom als Energiequelle hergestellt.
Langfristiges Ziel der LiU-Forscher ist es, die photochemische Reaktion zur Herstellung von "grünem" Wasserstoff ausschließlich mit Sonnenenergie zu betreiben. Die meisten Materialien, die heute entwickelt werden, haben einen Wirkungsgrad von 1 bis 3 Prozent, aber für die Kommerzialisierung dieser grünen Wasserstofftechnologie wird ein Wirkungsgrad von 10 Prozent angestrebt. Wenn die Reaktion vollständig durch Sonnenenergie angetrieben werden kann, würden die Kosten für die Herstellung von "grünem" Wasserstoff niedriger ausfallen als bei der heutigen Technologie, bei der zusätzlicher Strom aus erneuerbaren Energien verwendet wird. Jianwu Sun vermutet, dass es etwa fünf bis zehn Jahre dauern könnte, bis das Forschungsteam Materialien entwickelt hat, die die begehrte 10-Prozent-Grenze erreichen.
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Originalveröffentlichung
Hui Zeng, Satoru Yoshioka, Weimin Wang, Zhongyuan Han, Ivan G. Ivanov, Hongwei Liang, Vanya Darakchieva, Jianwu Sun; "Manipulating Electron Structure through Dual-Interface Engineering of 3C-SiC Photoanode for Enhanced Solar Water Splitting"; Journal of the American Chemical Society, Volume 147, 2025-4-17
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