- Das vom südkoreanischen Team entwickelte Gerät kann Wasserstoffmoleküle autonom spalten, um grünen Wasserstoff zu produzieren.
- Das Gerät hat einen neuen Rekord in der Effizienz der Solar-Wasserstoffumwandlung aufgestellt, ohne externe Stromversorgung.
- Neue hybride Materialschichten verbessern die Stabilität und Leistung des Geräts.
- Diese Technologie hat das Potenzial, die Produktionskosten von Wasserstoff zu senken und die Entwicklung erneuerbarer Energien voranzutreiben.
Wissenschaftler haben eine Methode entdeckt, um mit nur Sonnenlicht und Wasser sauberen grünen Wasserstoff zu produzieren. Ein Team aus Südkorea hat ein solarbetriebenes Gerät entwickelt, das in der Lage ist, Wasserstoffmoleküle vollständig autonom zu spalten. Diese Technologie hat einen Weltrekord in der Effizienz organischer Wasserzersetzungsgeräte aufgestellt und benötigt keine externe Stromversorgung. Traditionelle Wasserstoffproduktion basiert auf Erdgas, was zur Freisetzung von Kohlendioxid führt. Daher bietet das solarbetriebene Gerät eine echte Null-Emissions-Alternative. Allerdings stehen solche Geräte vor der Herausforderung, ausreichend Spannung selbst zu erzeugen, und benötigen externe Stromversorgung.
„Die photoelektrochemische (PEC) Wasserzersetzung bietet einen direkten Weg zur Gewinnung von Sonnenwasserstoff, aber die auf organischen Halbleitern basierenden photoanoden sind durch unzureichende photoelektrische Spannung und instabile Grenzflächen eingeschränkt“, erklärten die Forscher in der Studie.
Überwindung der Engpässe bei photoanoden
Derzeit versucht das Forschungsteam am Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), diesen Engpass zu überwinden. Die Forscher entwarfen ein Tandemgerät, das zwei Schichten von Lichtabsorber übereinander stapelt. In Labortests erreichte die Mikrobatterie eine Solar-Wasserstoffumwandlungseffizienz von 7,9 %, was die höchste gemessene Leistung organischer Halbleiter-photoanoden ohne angelegte Spannung darstellt. Die Zersetzung von Wasser erfordert eine Mindestspannung von 1,23 Volt. Einlagige organische Materialien können dieses Ziel nicht stabil erreichen. In der Vergangenheit führte das Stapeln von zwei Schichten zur Erhöhung der Spannung zu einer schnellen Degradation.
Das Standardverbindungsmaterial PEDOT:PSS ist stark sauer und anfällig für Wasser, was bedeutet, dass es benachbarte Komponenten schnell beschädigt.
Neue Materialien verbessern die Geräteleistung
Das UNIST-Team ersetzte diese korrosive Verbindung durch eine neue hybride Schicht. Sie kombinierten Molybdänoxid mit einem organischen Molekül namens 2PACz. Molybdänoxid ist weder sauer noch neigt es zur Wasseraufnahme und bildet gleichzeitig eine Schutzschicht, die das Eindringen von flüssigen Lösungsmitteln während des Beschichtungsprozesses verhindert. Gleichzeitig kann das 2PACz-Molekül mikroskopische Defekte glätten, was den freien Fluss von Ladungen ermöglicht. „Die endgültige Tandem-photoanode erreichte bei Betrieb mit zwei Elektroden ohne angelegte externe Spannung ein Anfangspotential von 1,67 V vs. RHE und eine Solar-Wasserstoffumwandlungseffizienz (STH) von 7,9 %. Soweit wir wissen, ist dies die höchste gemeldete Leistung organischer Halbleiter-photoanoden ohne externe Bias“, ergänzten die Forscher.
Kommerzialisierungspotenzial und Kostenreduzierung
Nach 10 Stunden kontinuierlichem Betrieb behielt das Gerät 86 % des anfänglichen photoelektrischen Stroms, während die Leistung traditioneller Designs auf 36 % sank. Diese Technologie hat bereits die Laborphase überschritten. Die Forscher stellten ein Außengerät mit einer Fläche von 320 Quadratzentimetern zusammen, das erfolgreich Wasserstoff unter natürlichem Sonnenlicht produzierte. Um die Kosten zu senken, reduzierten die Ingenieure den Einsatz von Edelmetallen erheblich. Der Platinanteil auf der Wasserstoffelektrode wurde auf nur 0,1 % gesenkt, während die Gegenlektrode auf einen kostengünstigen Nickel-Eisen-Kobalt-Katalysator angewiesen ist. Da beide Seiten im selben chemischen Bad betrieben werden, vermeidet diese Anordnung vollständig teure Ionenaustauschmembranen.
Wirtschaftliche Modelle zeigen, dass, wenn das Gerät in der Lage ist, theoretisch eine Effizienzgrenze von 16 % zu erreichen, die Produktionskosten für Wasserstoff auf 4,26 US$ pro Kilogramm (ca. 33 HK$) gesenkt werden könnten. Gleichzeitig arbeiten Forscher der Nanyang Technological University in Singapur daran, die Produktion von Sonnenkraftstoffen in eine vielversprechende neue Richtung zu lenken. Ihre blattinspirierten Geräte nutzen Sonnenlicht, um Wasserstoff direkt aus Meerwasser zu extrahieren und gleichzeitig ein toxisches Industriechemikalium, Hydrazin, zu neutralisieren. Diese beiden Durchbrüche zeigen, dass solarbetriebene chemische Technologien schnell von einem fragilen Konzept zu einem praktischen industriellen Werkzeug werden.
Durchbrüche bei organischen Solargeräten und Ausblick auf die Zukunft
Die Forschungsergebnisse des südkoreanischen Teams zeigen, dass organische Halbleiter-Solargeräte signifikante Fortschritte in der Wasserstoffproduktion erzielt haben. Dies löst nicht nur die Umweltprobleme des traditionellen Wasserstoffproduktionsprozesses, sondern zeigt auch das Potenzial neuer Materialien zur Verbesserung der Geräteleistung. Mit der Reifung der Technologie könnten diese Innovationen die Produktionskosten von Wasserstoff senken und die breite Anwendung erneuerbarer Energien fördern, was für die zukünftige Transformation der Energieversorgung von großer Bedeutung ist.