Ein Reaktor der neuen Generation könnte Wasser und Sonnenlicht in sauberen Treibstoff umwandeln.
Die Idee basiert auf einem natürlichen, aber komplexen Prozess: der Spaltung von Wassermolekülen in Sauerstoff und Wasserstoff mithilfe von Photokatalysatoren. Diese, die dem Licht ausgesetzt sind, initiieren chemische Reaktionen, die den Wasserstoff freisetzen, eine wichtige Energiequelle. Die bestehenden Systeme haben jedoch Schwierigkeiten, eine ausreichende Effizienz für eine großflächige Nutzung zu erreichen.
Luftaufnahme eines funktionierenden Photokatalysatorsystems mit einer Fläche von 100 m² für die Erzeugung von Solarwasserstoff. Das System besteht aus 1.600 Reaktoreinheiten mit Paneelen (jeweils 625 cm²), wobei 48 Reaktoreinheiten zu einem Modul von 3 m² zusammengefasst sind und 33 Module sowie ein Drittel (33 + 1/3) zu einem System verbunden sind. Der Reaktor mit Paneelen ist an eine Gase-Trennungsanlage angeschlossen. Im Detail basiert der entwickelte Prototyp auf der Nutzung von photokatalytischen Platten, die in der Lage sind, Solarenergie zum Aufspalten von Wassermolekülen zu nutzen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen verwendet dieser Reaktor eine sogenannte Zweischritt-Z-Konfiguration, die Sauerstoff und Wasserstoff effektiv trennt.
Dieser Ansatz verbessert nicht nur die Effizienz des Prozesses, sondern reduziert auch die Risiken, die mit der Entstehung explosionsfähiger Gase wie Knallgas verbunden sind. Dank dieser Methode konnten die Forscher unter ultraviolettem Licht eine nahezu perfekte Energiekonversion nachweisen, ein wichtiger Meilenstein für die Optimierung von Photokatalysatoren.
Das Team entwickelte einen 100 m² großen Reaktor, der im Freien mit natürlichem Licht betrieben werden kann und die Machbarkeit einer großtechnischen Anwendung nachweist. Das Gerät integriert fortschrittliche Sicherheitsmaßnahmen zur Handhabung potenziell gefährlicher Nebenprodukte und ermöglicht gleichzeitig eine direkte Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff. Diese Konfiguration verspricht eine sicherere und nachhaltigere Lösung für die Wasserstoffproduktion.
Darüber hinaus bleibt die Entwicklung lichtempfindlicher Photokatalysatoren für den sichtbaren Bereich des Lichts eine Priorität, da dadurch ein größerer Teil des Sonnenspektrums genutzt und die Gesamteffizienz weiter gesteigert werden kann.
Die Sensibilisierung eines breitbandigen Photokatalysators wird durch Dotierung mit Übergangsmetallen erreicht. Die dotierten Elemente erzeugen Verunreinigungsniveaus, die die für die Photoanregung erforderliche Energie verringern und das Material für sichtbares Licht reaktionsfähig machen.
Laut Professor Kazunari Domen könnte dieser Fortschritt die Umwandlung von Solarenergie in speicherbare chemische Energie revolutionieren, vorausgesetzt, die Katalysatoren werden weiter verbessert. Derzeit erreichen sie unter realen Bedingungen nur schwer eine Effizienz von 5 %.
Die Forscher betonen außerdem die Rolle der öffentlichen Politik. Ein bemerkenswerter Fortschritt in dieser Technologie könnte Regierungen und Unternehmen dazu ermutigen, in diese Art von Infrastruktur zu investieren und die Vorschriften rund um solare Treibstoffe zu überarbeiten.
Abseits der Technik ist das ökologische Potenzial immens. Ein großtechnisch zugänglicher, sauberer und erneuerbarer Treibstoff könnte unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen erheblich reduzieren und wäre ein entscheidender Schritt hin zu einer nachhaltigen Energiewende. Diese Entdeckung zeigt, dass der Weg zu einer kommerziellen Einführung noch lang ist. Doch die ersten Schritte sind vielversprechend, und das Engagement der Wissenschaftler könnte den Weg für eine grünere Energiezukunft ebnen.
Was ist Photokatalyse und warum ist sie für Wasserstoff so wichtig?
Photokatalyse ist eine chemische Reaktion, die durch einen katalytischen Stoff beschleunigt wird, der durch Licht, oft die Sonne, aktiviert wird. Sie ist unerlässlich, um Moleküle wie Wasser in ihre Grundbestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen.
Photokatalysatoren absorbieren Lichtenergie, regen ihre Elektronen an und setzen so die Reaktion in Gang. Diese angeregten Elektronen tragen anschließend zur Spaltung der chemischen Bindungen im Wasser bei.
Auf der Suche nach sauberem Treibstoff ermöglicht dieser Prozess die Herstellung von Wasserstoff ohne CO₂-Emissionen. Seine theoretische Einfachheit verbirgt jedoch praktische Probleme: Es bedarf leistungsfähiger Materialien und effizienter Systeme.
Quelle: Frontiers in Science