Künstliche Photosynthese: Neue Photokathode könnte die Erzeugung von Wasserstoff revolutionieren

Die elektrolytische Aufspaltung von Wasser dürfte so manchem Leser noch bekannt sein. Zwei im Wasser versenkte Elektroden mit ausreichend Spannung spalten das H2O in seine Bestandteile Sauer- und Wasserstoff auf, die dann gasförmig als Blasen im Wasser sichtbar sind.Wenn die Spannung aus einer Solarzelle kommt, ließe sich die flüchtige Sonnenenergie in Form von Wasserstoffgas speichern. Wasserstoff ist ein chemischer “Energiespeicher” und vielseitig verwendbar, weshalb Forscherteams weltweit an billigen Methoden arbeiten, um Wasserstoff zu erzeugen. Doch Wasserstofferzeugung funktioniert am besten in saurer Umgebung, und passende Elektroden, die die Reaktion beschleunigen, sind aufgrund des benötigten Materials wie Platin oder Platin-Iridium-Verbindungen extrem teuer. Das Team des HZB-Instituts für Solare Brennstoffe hat nun eine neuartige Komposit-Photokathode entwickelt, die diese Problematik lösen könnte.

Neuartige Kathode als Problemlöser

Mit der neuen Photokathode lässt sich effizient mit Hilfe von Sonnenlicht Wasserstiff erzeugen. Sie besteht aus einer Chalkopyrit-Dünnschicht vom PVComB, die mit einem neu entwickelten dünnen Film aus Titandioxid beschichtet ist, in den Platin-Nanoteilchen eingebettet sind. So wird das Chalkopyrit nicht nur vor Korrosion geschützt, sondern auch die Wasserstoffbildung beschleunigt.

Die Kathode wurde im Rahmen des BMBF-Cluster Projektes „Light2Hydrogen“ sowie im laufenden DFG-Schwerpunktprogramm „Solar H2“ entwickelt und löst gleich mehrere Probleme bei der Wasserstofferzeugung. Die Beschichtung aus Titandioxid (TiO2) ist mit Nanopartikeln aus Platin versetzt. Das neue Komposit erzeugt dadurch bei Lichteinfall eine starke Photospannung von fast 0,5 Volt und hohe Photostromdichten. Außerdem wirkt es als Katalysator, beschleunigt also die Spaltungsreaktion. Die neue Photokathode ist damit deutlich effizienter als herkömmliche Dünnschicht-Solarzellen.

Die Kathode nutzt bis zu 80 Prozent des Sonnenlichts

Das Besondere an der neuen Kathode ist also die Beschichtung aus Titandioxid mit Platin-Nanopartikeln. Entwickelt wurde sie von Anahita Azarpira während ihrer laufenden Promotion unter Privatdozent Dr. Thomas Schedel-Niedrig. Bei der Herstellung der Beschichtung kommt ein spezielles Verdampfungsdeposition-Verfahren zum Einsatz, das vom HZB-Institut für Heterogene Materialsysteme entwickelt und patentiert wurde entwickelt und patentiert wurde. Dabei wird ein Aerosol aus den chemischen Vorprodukten von Titandioxid und Platin über das geheizte Substrat geleitet. Mit der Zeit entsteht dadurch eine feste, polykristalline Schicht.

Als optimaler Platinanteil für die Komposit-Schicht haben sich 5 Prozent als praktikabel erwiesen. „Mehr als 80 % des einfallenden Sonnenlichts im sichtbaren Spektrum werden in diesem Komposit-System in Photostrom umgewandelt und steht damit zur Wasserstofferzeugung zur Verfügung“, so Schedel-Niedrig. Eine derart hohe Effizienz ist außergewöhnlich.

Kathode muss noch verbessert werden

Es gibt allerdings noch viel zu tun für das Team. Derzeit kommt der Großteil der benötigten Energie von insgesamt ca. 1.8 Volt zwischen der Komposit-Photokathode und der Platin-Gegenelektrode aus einer Batterie. Am Wirkungsgrad des Systems muss also noch gearbeitet werden. „Wir konnten jedoch mit dieser Arbeit bereits zeigen, dass solche robusten Systeme das Potenzial haben, in Zukunft autark Solarenergie chemisch zu speichern und haben bereits ein Demonstrator-Gerät zur solaren Wasserstoffentwicklung zusammen mit einer Schweriner Firma im Rahmen des „Light2Hydrogen“-Projektes realisieren können“, erklärt Schedel-Niedrig.

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