Künstliches Blatt erzeugt Wasserstoff mit Sonnenlicht

Brennstoffzellen werden als eine der großen Energiealternativen für die Zukunft gehandelt. Es gibt jedoch ein Problem: Die Herstellung des benötigten Wasserstoffs ist aufwendig und mit viel Energieverbrauch verbunden. Forscher des Zentrums für künstliche Photosynthese (JCAP) am California Institute of Technology haben nun ein künstliches Blatt entwickelt, dass als erstes komplettes System zur Wasserstofferzeugung gehandelt wird, das sicher ist und seinen Energiebedarf aus dem Licht der Sonne befriedigt.

Wasserstoff durch Sonnenlicht

Das künstliche Blatt des Zentrums für künstliche Photosynthese sieht wahrlich nicht aus wie ein Blatt. Es besteht aus zwei Elektroden und einer Membran und sieht eher wie eine Behelfslösung aus als wie die Zukunft der Energieerzeugung. Eine Fotoanode teilt unter Einstrahlung von Sonnenlicht Wasser in Sauerstoffatome, Protonen und Elektronen. Während der Sauerstoff in einer Kammer verbleibt, werden die Elektronen und Protonen durch die Membran in eine zweite Kammer transportiert, wo eine Fotokathode sie zu Wasserstoff kombiniert. Die Elektroden sind dabei jeweils mit einer Nano-Schicht aus Titan-dioxid umhüllt, die vor Korrosion schützt. Dabei handelt es sich um eine Neuentwicklung, ohne die die Sauerstofferzeugung nicht möglich wäre.

Innovativer Katalysator macht das System günstig und effizient

Neu und innovativ an dem Aufbau des künstlichen Blatts ist auch der Katalysator, der an der Anode genutzt wird, um das Wasser aufzuteilen. Bisher wurden dazu Materialien wie Platin genutzt, das zwar sehr effektiv, aber auch sehr teuer ist. Die Forscher des JCAP nutzen stattdessen eine preiswerte Nano-Nickel-Schicht. Der Wirkungsgrad des künstlichen Blatts liegt bei 10 Prozent, und in der Theorie ist ein Dauerbetrieb für 40 Stunden am Stück möglich.

“Unsere Arbeit zeigt, dass es tatsächlich möglich ist, Treibstoff aus Sonne herzustellen. Und zwar sicher und effizient in einem integrierten System, das aus preiswerten Einzelteilen besteht”, so Nate Lewis, der wissenschaftliche Direktor des JCAP.

Das Verfahren des künstlichen Blatts ist deshalb so sicher, weil die Sauerstoff- und Wasserstoffatome durch die dichte Membran strikt voneinander getrennt wird. Wenn sich die beiden Substanzen vermischen, könnte jeder Funke eine Explosion auslösen.

Als nächstes möchten die Forscher die Lebensdauer des Systems erweitern und die Herstellung günstiger gestalten. In Zukunft könnte das künstliche Blatt des JCAP überall dort eingesetzt werden, wo Wasserstoff verarbeitet wird.