Die spalterische Sonne – Bessere Wasserstoffherstellung mit Sonnenlicht

Die spalterische Sonne – Bessere Wasserstoffherstellung mit Sonnenlicht

Die Erzeugung des Energieträgers erfolgt für gewöhnlich über die elektrochemische Zersetzung von Wasser mithilfe von regenerativ erzeugtem Strom. Ein alternativer Ansatz ist die direkte solare Wasserspaltung, bei der Sonnenenergie ohne große Umwege zur Spaltung von Wasser genutzt wird. Während bisherige Verfahren zur solaren Wasserspaltung lediglich eine Effizienz von höchstens drei Prozent erreichten, haben Ingenieure um Zetian Mi von der University of Michigan mit einem Wirkungsgrad von neun Prozent einen neuen Rekord aufgestellt. Bei einem Feldversuch erreichen sie eine Ausbeute von immerhin sechs Prozent.

Die Herstellung von Wasserstoff aus Sonnenlicht und Wasser, zwei der am häufigsten vorkommenden natürlichen Ressourcen der Erde, ist einer der vielversprechendsten Wege zur Kohlenstoffneutralität. Einige Ansätze zur solaren Wasserstofferzeugung, z. B. die photoelektrochemische Wasserspaltung, erfordern häufig korrosive Elektrolyte, was ihre Leistungsstabilität und Umweltverträglichkeit einschränkt. Alternativ kann sauberer Wasserstoff auch direkt aus Sonnenlicht und Wasser durch photokatalytische Wasserspaltung erzeugt werden. Der Wirkungsgrad der photokatalytischen Wasserspaltung von Sonnenlicht zu Wasserstoff (STH) ist jedoch nach wie vor sehr gering. Es wurde eine Strategie entwickelt, um mit reinem Wasser, konzentriertem Sonnenlicht und einem Indium-Gallium-Nitrid-Photokatalysator einen hohen STH-Wirkungsgrad von 9,2 Prozent zu erreichen. Der Erfolg dieser Strategie beruht auf den synergetischen Effekten der Förderung der Wasserstoff-Sauerstoff-Evolution in Vorwärtsrichtung und der Hemmung der Wasserstoff-Sauerstoff-Rekombination in Rückwärtsrichtung durch den Betrieb bei einer optimalen Reaktionstemperatur (etwa 70 Grad Celsius), die direkt durch die Ernte des zuvor verschwendeten Infrarotlichts im Sonnenlicht erreicht werden kann. Darüber hinaus führt diese temperaturabhängige Strategie zu einem STH-Wirkungsgrad von etwa 7 Prozent aus allgemein verfügbarem Leitungs- und Meerwasser und zu einem STH-Wirkungsgrad von 6,2 Prozent in einem groß angelegten photokatalytischen Wasserspaltungssystem mit einer natürlichen Sonnenlichtkapazität von 257 Watt. Die Studie bietet einen praktischen Ansatz zur effizienten Herstellung von Wasserstoffbrennstoff aus natürlichem Sonnenlicht und Wasser und überwindet damit den Effizienzengpass der solaren Wasserstoffproduktion.

Hier geht’s zur Studie und weiteren Informationen. 

(Quelle: DWV und nature – Januar 2023)