Künstliche Photosynthese für Solarkraftstoffe
Solarenergie ist überall und reichlich verfügbar - selbst in dicht besiedelten Gebieten und Nordeuropa. Damit ist die Abkehr von fossilen Brennstoffen machbar, selbst wenn die Möglichkeiten, mit hohem Wirkungsgrad Solarenergie in Strom oder Solarkraftstoffe umzuwandeln, noch nicht ausgeschöpft sind. Um Solarenergie flächendeckend nutzen zu können, sind vor allem effiziente Prozesse gefragt, für die sich das EU-finanzierte Projekt ARTIPHYCTION (Fully artificial photo-electrochemical device for low temperature hydrogen production) von der natürlichen Photosynthese in Pflanzen inspirieren ließ, die Sonnenenergie in Wasserstoff umwandeln. Bei der Photosynthese sorgt das Enzym PSII (Photosystem II) dafür, dass Pflanzenblätter und Algen bei Raumtemperatur Wasser in Elektronen, Sauerstoff und Wasserstoffionen aufspalten. Daraus können dann mithilfe des Enzyms Hydrogenase nicht unerhebliche Mengen an Wasserstoff erzeugt werden. Solarenergie auf diese Weise zu nutzen, ist eine der interessantesten Vorgehensweisen, um Wasserstoff zu produzieren. ARTIPHYCTION baute auf der Pionierarbeit des abgeschlossenen Projekts SOLHYDROMICS auf. Dieses hatte ein Gerät entwickelt, das mit einem Gesamtwirkungsgrad von 1 % Solarenergie in Wasserstoff umwandelt. Den Projektpartnern gelang es, die Einsatzmöglichkeiten des Systems von SOLHYDROMICS zu erweitern und mit einem neuen künstlichen Photosynthesegerät und einem Wirkungsgrad von mehr als 10 % Wasserstoff aus Solarenergie herzustellen. Dabei kommen speziell entwickelte elektrochemische Katalysatoren an der Anode zum Einsatz, an der Wasser gespalten wird. Die erzeugten Elektronen werden dann durch eine poröse, elektronenleitende Glasschicht zu einer externen Drahtverbindung geleitet und der Sauerstoff über hydrophobe Poren in den Anodenschichten ausgeschleust. Durch Druckveränderungen werden Wellen erzeugt und auf einen Wasserfilm zwischen den beiden Elektroden übertragen, sodass der Sauerstoff entfernt wird. Das Wasser zwischen den Elektroden ist auch Transportweg für die Protonen, die mit minimalem Widerstand auf die Kathodenelektrode übertragen werden. Ein synthetischer Hydrogenase-mimetischer Katalysator auf der porösen Kathode reduziert schließlich die Protonen. Das ARTIPHYCTION-System arbeitet mit effizienten und stabilen Elektrokatalysatoren statt mit dem natürlichen Enzym Hydrogenase. Um die photoelektrochemische Wasserspaltung zu verbessern, wurde ein Tandemsystem aus zwei Photosensibilisatoren mit den beiden Elektroden verbunden, das bestimmte Lichtwellenlängen auffängt. Indem die wissenschaftliche Forschung aus Universitäten und Forschungszentren mit der Marktexpertise kleiner und mittelständischer Unternehmen (KMU) wie auch großer Unternehmen zusammengeführt wurde, konnte ARTIPHYCTION mehrere technische Fragen lösen. Das neue synthetische Photosynthesesystem soll innerhalb der kommenden zehn Jahre marktreif sein.
Schlüsselbegriffe
Photosynthese, Solartreibstoffe, Solarenergie, Wasserstoff, ARTIPHYCTION, Elektrokatalysatoren
