Nanofunktionalisierung von photoaktiven Materialien für die hocheffiziente photoelektrochemische Erzeugung von grünem Wasserstoff

Der durch erneuerbare Energiequellen wie Solar- und Windenergie erzeugte Wasserstoff ist in letzter Zeit weltweit intensiv als Lösung für die Produktion von grauem und blauem Wasserstoff diskutiert worden. Bei dem neuen Verfahren wird Wasser in der Regel durch photokatalytische und/oder photoaktive Materialien unter Einwirkung von Sonnenlicht direkt zu Wasserstoff reduziert. Da dabei kein CO₂ als Nebenprodukt entsteht, wird der aus diesem speziellen Verfahren gewonnene Wasserstoff als „grüner Wasserstoff“ bezeichnet. Aufgrund dieser Produktionsmerkmale gilt die Produktion von grünem Wasserstoff als idealer Weg, um sowohl einen nicht fossilen Energieträger zu produzieren als auch die Wasserstoffproduktion zu dekarbonisieren.

Die Produktion von grünem Wasserstoff durch diese direkte Umwandlung, nämlich die photoelektrochemische (PEC) Wasserreduktion, ist attraktiv. Dies liegt daran, dass der durch die Wechselwirkung zwischen Sonnenlicht und photoaktivem Material entstehende Photostrom den Stromverbrauch aus einer mit erneuerbarer Energie betriebenen Stromversorgung reduzieren kann.

Die PEC-Wasserreduktion zur Erzeugung von H₂ steht vor der Herausforderung, dass ihre Produktion den globalen Brennstoffbedarf decken soll. Die direkte Folge eines solchen Szenarios ist, dass die zur Wasserstofferzeugung benötigte Materialmenge extrem groß ist. Daher sollten die photoaktiven Komponenten für die PEC-Wasserreduktion vorzugsweise in der Erde reichlich vorhandene Elemente enthalten und möglichst wenig kritische Rohstoffe verbrauchen. Die in Frage kommenden Elemente, die reichlich in der Erde vorkommen, sind Oxide und Chalkogene. NanoGreenH2-Pro strebt den Einsatz von natürlichem Glimmerhämatit Fe₂O₃ als Photoanode für die Sauerstoffentwicklungsreaktion und Kesterit Cu₂ZnSnS₄ als Photokathode für die Wasserstoffentwicklungsreaktion an, wobei das neuartige Metall-Organische Gerüst (MOF) ZIF-8 als Co-Katalysator zur Verbesserung der Wasserreduktionsleistung eingesetzt wird. NanoGreenH2-Pro ist ein bilaterales Projekt zwischen AIT, PMT Powder Processing GmbH und der Universität Shanghai im Rahmen des österreichischen FFG- und des Shanghai University R&D Cooperative-Projekts.

Projektziele

Das ultimative Ziel von NanoGreenH2 ist es, die Leistung von PEC-Wasserreduktionsgeräten, die reichlich auf der Erde vorkommen, in einem neutralen bis mittelalkalischen Elektrolyten durch neue Designs der Photoelektrodenarchitektur zu steigern, die Nanopartikel und MOF-funktionalisierte Hämatit-Fe₂O₃- und Kesterit-Cu₂ZnSnS₄-Filme umfassen. Die Hauptaufgabe des Projekts bestand darin, die Funktionalität der Photoelektroden (Cu₂ZnSnS₄-Photokathode und Fe₂O₃-Photoanode) durch MOF und/oder Nanopartikel zu verbessern. Die Funktionalisierung diente als zusätzlicher Katalysator oder Schutz gegen den im PEC-Aufbau verwendeten Elektrolyten, wodurch die Stabilität verlängert und die Gesamtleistung der PEC-Wasserreduktion gesteigert wurde. Die Gruppe der Shanghai University synthetisierte MOFs und Nanopartikel, während sich AIT und PMT Powder Processing GmbH auf die Integration von PEC-Geräten und die Materialverarbeitung für die Herstellung von Photoelektroden konzentrierten.

Projektergebnisse

AIT hat erfolgreich eine neue PEC-Gerätearchitektur auf Basis einer Kesterit-Photokathode entwickelt, die Kesterit Cu₂ZnSnS₄/Zn(O,S)/ZnO/Nb-dotiertes TiO₂/Pt verwendet (siehe Abbildung 1). Durch Optimierung der Dicke der Mehrschichtstruktur und der Auswahl des Überzugsmaterials kann eine maximale Photostromdichte von bis zu 15 mA/cm² erreicht werden (Manuskript in Vorbereitung).

Förderung

Dieses Projekt wurde im Rahmen der 38. Ausschreibung “ Production of the Future” des Bundesministeriums für Innovation, Mobilität und Infrastruktur (BMIMI) in Kooperation mit der SHANGHAI Universität, China durchgeführt. Die Abwicklung erfolgte im Auftrag des BMIMI durch die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft (FFG).