Wasserstoffherstellung mit Sonnenlicht wird effizienter

Die University of Michigan hat eine neue Variante der photokatalytischen Wasserspaltung entwickelt, um Wasser mit Hilfe von konzentriertem Sonnenlicht in Sauerstoff und Wasserstoff aufzuspalten

Auf Wasserstoff werden große Hoffnungen für eine klimaverträgliche Zukunft gesetzt. Strom aus erneuerbaren Quellen soll künftig in große Mengen des Gases umgewandelt und so für den Verbrauch in produktionsärmeren Zeiten gespeichert werden. Außerdem soll Wasserstoff an vielen Einsatzorten, etwa in der Industrie, Erdgas ersetzen.

Grüner Wasserstoff wird aktuell meist mittels Elektrolyse von Wasser unter Verwendung von Ökostrom hergestellt. Es gibt aber auch einen direkten Weg: Photokatalyse. Sonnenlicht trifft dabei auf einen Katalysator aus speziellen Materialien, die Wasser direkt in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten können. Das Ganze ist quasi eine künstliche Version der Photosynthese in der Natur.

Neun Prozent

Bislang erzielt man auf dieser Abkürzung, bei der man sich den Umweg über Strom erspart, nicht allzu hohe Effizienz. Wissenschaftler in aller Welt arbeiten allerdings daran, die photokatalytische Wasserspaltung zu verbessern. Ein Team der University of Michigan in den USA hat nun eine neue Methode aufgezeigt. Dabei soll bis zu neun Prozent der verwendeten Sonnenenergie zur Erzeugung von Wasserstoff genutzt werden. Diese Effizienz ist weit höher als bei bisherigen Verfahren.

Für Dominik Eder vom Institut für Materialchemie der TU Wien, der selbst an Photokatalyse forscht, sind die Ergebnisse aus den USA vielversprechend. “Sie sagen uns, dass wir andenken müssen, die Wärmestrahlung des Sonnenlichts, also das Infrarotspektrum, mehr zu verwenden.” Die hohe Umwandlungseffizienz wurde einerseits durch einen neuen Katalysator erreicht, bei dem aus einem bereits bekannten Materialmix winzige Nanodrähte geformt wurden. Andererseits wird das Sonnenlicht durch eine große Linse 160-fach verstärkt und auf eine kleine Fläche konzentriert. Die dadurch entstehende Hitze beschleunigt die Umwandlungsreaktion. “Man kennt das von Aspirin, das sich im warmen Wasser schneller auflöst”, sagt Eder.

Es geht noch besser

Durch die zusätzliche Wärme kann noch mehr Wasser aufgespalten werden, allerdings nimmt die Effizienz nach einigen Stunden auch wieder ab. “Die Materialien fangen dann an, sich zu zersetzen.” Laut Eder seien solche Probleme aber technisch lösbar. Als problematischer sieht er den Katalysator an. Dessen Herstellung sei sehr energieaufwendig. Außerdem seien verwendete Materialien wie Indium oder Rhodium sehr teuer. Man könne Photokatalyse auch mit günstigeren Materialien betreiben. Dann käme man zwar auf eine Effizienz von unter ein Prozent, aber: “In der Natur ist es auch nicht mehr.”

Für die Zukunft als Katalysator am aussichtsreichsten seien Hybridmaterialien aus anorganischen und organischen Stoffen: “Organische sind viel besser in der Aufnahme von Licht, anorganische sind besser bei der Aufspaltung von Wasser.” Vorstellbar seien dann etwa kleine Wasserstofferzeugungseinheiten, die man an Hausfassaden oder in transparenter Form in Fenster integrieren könnte.

Das konzentrierte Sonnenlicht fällt auf ein Siliziumplättchen, auf dem die Katalysator-Nanodrähte aufgetragen sind. Dahinter blubbert es, weil Sauerstoff und Wasserstoff im Behälter als Gase zur Wasseroberfläche aufsteigen

Lokale Erzeugung und Transportfrage

Die lokale Erzeugung und Verwertung von Wasserstoff wäre für zukünftige Energiesysteme vorteilhaft, weil man sich Umwandlungs- und Transportverluste erspare. Als kleinstes chemisches Element ist Wasserstoff sehr flüchtig und daher schwierig zu speichern. Es gebe zwar stetige Verbesserungen bei der Lagerung – in Hochdrucktanks oder bei weniger Druck und dafür minus 259,2 Grad Celsius -, stelle man Wasserstoff aber in großem Stil her, sei die Umwandlung in Methanol oder Ammoniak praktischer: “Mit diesen Stoffen hat man schon Erfahrungen, die Lagerung ist viel leichter.”

Methanol direkt durch Photokatalyse herzustellen, wäre das “ultimative Ziel”. Aktuelle Umwandlungsverfahren seien noch energieintensiv und teuer. Zunächst müsse man aber noch viel Grundlagenforschung betreiben und Vorgänge bei der Photokatalyse auf atomarer Ebene besser verstehen.