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Photogenerated Hydrogen by Organic Catalytic Systems

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Eine neues photokatalytisches System zur Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser

EU-finanzierte Forscher haben eine organische Anlage entwickelt, die Sonnenlicht nutzt, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu trennen. Der hergestellte Wasserstoff wird bei einer Verwendung in Brennstoffzellen zur Elektrizitätserzeugung eine vielversprechende Alternative zu fossilen Brennstoffen bieten.

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In photoelektrochemischen Systemen wird Wasserstoff durch spezielle Halbleiter erzeugt, die Wassermoleküle mithilfe von Sonnenlicht in Wasserstoff und Sauerstoff dissoziieren. Das derzeit zur Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie in Form von Wasserstoff verwendete Halbleitermaterial gleicht jenem, das in der Photovoltaik-Solarstromerzeugung genutzt wird. Es gibt jedoch einen wesentlichen Unterschied. Bei der photoelektrochemischen Wasserspaltung werden Halbleiterelektroden in einen Elektrolyten auf Wasserbasis eingetaucht. Auch wenn organische Halbleiter im Vergleich zu anorganischen Materialien eine hohe Effizienz bei geringeren Kosten bieten, korrodieren sie bei Kontakt mit Wasser. Das EU-finanzierte Projekt PHOCS (Photogenerated hydrogen by organic catalytic systems) zielte darauf ab, die Lichtabsorptionseigenschaften von organischen Halbleitern mit den Ladungstransportmöglichkeiten von anorganischen Halbleitern zu kombinieren. Die Forscher lagerten hierzu eine Schicht von nanometrischem Titanoxid über dem lichtempfindlichen Material ab, um als Barriere zwischen Wasser und organischen Halbleitern zu fungieren. Außerdem verbindet das metallische Nanomaterial die Elektroden elektrisch mit dem verwendeten Platinkatalysator. Auf diese Weise erlangte das photoelektrochemische Lichtnutzungssystem eine höhere Stabilität in der Wasser-/Elektrolyt-Umgebung. Eine der wichtigsten Herausforderungen des Projekts war es, zu zeigen, dass organische Materialien für die photoelektrochemische Wasserstofferzeugung verwendet werden können. Mit der neuen Vorrichtung konnte die Wasserstofferzeugung drei Stunden lang aufrechterhalten werden. Hierdurch wurde eine zuvor noch nicht erreichte Stabilität demonstriert. Schließlich wurde erfolgreich eine Vorrichtung für den Konzeptnachweis gebaut, welche die im Rahmen von PHOCS festgelegten Ziele hinsichtlich der Lichtumwandlungseffizienz erreichte. Die Vorrichtung machte deutlich, wie organische/anorganische hybride Schnittstellen, die über kostengünstige und problemlos nach oben skalierbare Verfahren realisiert werden, unter Verwendung von sichtbarem Licht, Salzwasser und unedlen Katalysatoren die Wasserstoffherstellung effizient fördern können. Die entwickelten organischen/anorganischen Systeme können ebenfalls in weiteren photoelektrochemischen Anwendungsbereichen genutzt werden, so zum Beispiel für die Kohlenstoffdioxidreduktion. Es wurden neu hergestellte Fullerene zur Unterstützung metallfreier Sauerstoffreduktionsreaktionen vorgeschlagen. Die PHOCS-Ergebnisse lassen sich auf verwandte Gebiete wie die Photovoltaiktechnik, die organische Bioelektronik, die Photodetektion unter widrigen Umgebungsbedingungen und auf Verarbeitungsverfahren für anorganische Nanostrukturen übertragen. Das Projekt wird darüber hinaus einen Beitrag für den Übergang von dem derzeitigen, auf fossilen Brennstoffen basierenden Energiemodell auf ein nachhaltiges Modell leisten, das Rücksicht auf die Umwelt nimmt.

Schlüsselbegriffe

Wasserstoff, Brennstoffzelle Halbleiter, photoelektrochemisch, PHOCS, Titanoxid, Fullerene

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