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Efficient Photoelectrochemical Transformation of CO2 to Useful Fuels on Nanostructured Hybrid Electrodes

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Wie hybride Photoelektroden die Erzeugung solarer Brennstoffe voranbringen

Bei der Erzeugung solarer Brennstoffe kommt die künstliche Photosynthese zur Gewinnung chemischer Stoffe aus Kohlendioxid zum Einsatz. HybridSolarFuels entwickelte dem Konzeptnachweis dienende Verfahren für zukünftige Anwendungen erneuerbarer Energien, die praktikable Alternativen zu fossilen Brennstoffen darstellen könnten.

Energie
Grundlagenforschung

Bei der Erzeugung solarer Brennstoffe wird künstliches oder natürliches Licht genutzt, um reichlich vorhandene und stabile Moleküle, etwa Wasser oder Kohlendioxid (CO2), in energiereiche chemische Substanzen umzuwandeln. Bei diesem photoelektrochemischen Prozess handelt es sich um ein besonders attraktives Verfahren für nachhaltige Energie, da im Prinzip nur Energie aus Licht (Photonen), Wasser und/oder CO2 sowie ein Katalysator gebraucht werden. Da hinsichtlich kommerzieller Anwendungen einige wichtige technische Durchbrüche noch auf sich warten lassen, entwickelt das durch den Europäischen Forschungsrat finanzierte Projekt HybridSolarFuels (Efficient Photoelectrochemical Transformation of CO2 to Useful Fuels on Nanostructured Hybrid Electrodes) einen leistungsstarken Ansatz, bei dem hybride Photoelektroden zum Einsatz kommen, die aus mehreren Komponenten bestehen. „Der Schlüssel zu einem hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie liegt in der Gestaltung der Grenzflächen und dem Einsatz nanostrukturierter Materialien sowie ausgeklügelter synthetischer Prozesse“, erklärt Csaba Janáky, Projekthauptforscher von der Universität Szeged in Ungarn. Eine weitere Leistung des Projekts ist die Entwicklung skalierbarer Elektrolyseur-Durchflusszellen. Diese gelten zwar noch nicht als photoelektrochemische Zellen, da sie Licht nicht direkt nutzen; sie sind jedoch ein erster Schritt in Richtung photoelektrochemischer Zellen.

Inspiriert von der Natur

Zu Beginn sah sich HybridSolarFuels zwei großen Herausforderungen gegenüber. Da CO2 ein reaktionsträges Molekül ist, wird viel Energie benötigt, um es in nützliche Produkte wie etwa Methanol umzuwandeln. Deshalb ist die Auswahl des richtigen Katalysators überaus wichtig. Es ist schwierig, geeignete Katalysatoren zu finden und sie in photoelektrochemische Zellen zu integrieren. Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass ein Großteil der bisherigen Forschung an Batch-Zellen durchgeführt wurde. Diese Ergebnisse in spezielle Anwendungen zu übertragen ist nicht ganz einfach, da industrielle Umwandlungsraten nur in Durchflusszellen erreicht werden können, in die kontinuierlich CO2 zugeführt wird. Bei der natürlichen Photosynthese übernimmt jede Komponente im System eine ganz bestimmte Funktion. Inspiriert davon entwickele HybridSolarFuels Elektroden, die aus mehreren Komponenten bestehen: eine für die Lichtabsorption, eine andere für den Ladungsträgertransport sowie eine für die katalytische Reaktion an der Oberfläche. Diese werden im Nanometerbereich zusammengefügt. So kamen beispielsweise verschiedene p-Typ-Halbleiter für die Absorption von Licht in der Photoelektrodenanordnung zum Einsatz, wobei das Team Unerwartetes entdeckte. „Wir gehörten zu den ersten, die Bleihalogenid-Perowskit-Schichten direkt als Photoelektroden eingesetzt haben. Das führte uns zu einigen wichtigen Entdeckungen in Bezug auf die Hauptrolle, die photogenerierte Löcher bei den Korrosionsprozessen dieser spannenden Materialien spielen“, erklärt Janáky. Nach der Durchführung von Charakterisierungsstudien zur Bestimmung der optimalen Kristallinität, Morphologie und chemischen Zusammensetzung der neuen Photoelektroden wurden sie in Elektrolyseur-Zellen mit kontinuierlichem Durchfluss eingebaut. Diese wurden verschiedenen photoelektrochemischen Untersuchungen unterzogen, um insbesondere den Umwandlungswirkungsgrad von Sonnenlicht in chemische Energie zu bewerten, d. h. die Anzahl der Photonen im Sonnenlicht, die tatsächlich in chemische Energie umgewandelt werden. „Es wurde nachgewiesen, dass die Hybrid-Photoelektroden die Einkomponenten-Elektroden übertreffen“, fügt Janáky hinzu.

Eine grüne Revolution kündigt sich an

Ob der europäische Grüne Deal mit seinem Ziel der Klimaneutralität bis 2050 Erfolge zu verzeichnen haben wird, hängt von neuen bahnbrechenden Technologien ab. Die Umwandlung von Sonnenenergie in hochwertige Chemikalien und Kraftstoffe könnte eine solche Technologie sein. Mit der photoelektrochemischen Umwandlung von CO2 könnten chemische Stoffe wie Ameisensäure, Kohlenmonoxid, Methanol und Ethanol erzeugt und auf diese Weise der Bedarf an fossilen Brennstoffen und somit die CO2-Emissionen der chemischen Industrie reduziert werden. Das Team erforscht gegenwärtig den Ersatz der Wasseroxidation im elektrochemischen CO2-Reduktionsprozess durch etwas von höherem wirtschaftlichen Wert. „Als Nebenprodukt der Biodieselproduktion verfügen wir nun über überschüssiges Glycerin, das in hochwertige Chemikalien wie zum Beispiel Ameisensäure umgewandelt werden könnte, die unter anderem zur Konservierung von Viehfutter verwendet wird“, berichtet Janáky. Im Zusammenhang mit den Anwendungen arbeitet das Team weiter an der Entwicklung seiner photoelektrochemischen Zellen mit kontinuierlichem Durchfluss.

Schlüsselbegriffe

HybridSolarFuels, solarer Brennstoff, photoelektrochemisch, Kohlendioxid, Glyzerin, Elektrolyseurzellen, Photoelektrode, Halbleiter, Elektrolyseur, Katalysator, Energie

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