Neue Technologien zur nachhaltigen Wasserstoffproduktion
Neben der Elektrolyse forschen wir am AIT an alternative Methoden zur Wasserstoffproduktion, darunter die photoelektrochemische Wasserspaltung (PEC) und die photokatalytische Wasserspaltung. Beide Ansätze nutzen Lichtenergie, um Wasserstoff auf nachhaltige Weise aus Wasser zu gewinnen.
Unsere Arbeiten umfassen die Entwicklung effizienter Materialien, die Optimierung von Prozessen sowie die Untersuchung der technischen Umsetzbarkeit dieser Technologien. Ziel ist es, praxisnahe Lösungen für die Erzeugung von erneuerbarem Wasserstoff bereitzustellen, die sowohl ressourcenschonend als auch wirtschaftlich sind.
Photoelektrochemische Wasserspaltung
Photoelektrochemische (PEC) Zellen sind Geräte, die Licht nutzen, um chemische Reaktionen anzutreiben, typischerweise zur Spaltung von Wasser zur Wasserstoffproduktion. Eine PEC-Zelle integriert Photoelektroden, die Sonnenlicht absorbieren und Ladungsträger erzeugen. Die Photoelektroden sind in einem Elektrolyten eingetaucht, in dem die chemischen Reaktionen stattfinden. Die Photoanode treibt die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) an, während die Photokathode die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) steuert. Diese Systeme bieten einen vielversprechenden Weg zur erneuerbaren Energieumwandlung, da sie Sonnenenergie direkt in chemische Energie umwandeln, ohne Zwischenschritte.
Forschung zur PEC-Technologie am AIT
- Am AIT stellen wir Photoanoden und Photokathoden für OER und HER auf Basis erdabundanter Materialien her, wie z. B. Kesterit (Kupfer-Zink-Zinn-Sulfid), Kupferoxid-Photokathoden und Hämatit (Eisenoxid)-Photoanoden.
- Wir entwerfen und fertigen Heteroübergangs-Photoelektroden, die die Herausforderungen bei der effizienten Ladungsträgertrennung und -transport lösen und gleichzeitig eine hohe katalytische Aktivität aufweisen.
- Wir simulieren und fertigen photonische und plasmonische Nanostrukturen, die die Lichtabsorptionseffizienz der Photoelektroden verbessern.
Herausforderungen der photoelektrochemischen Wasserspaltung
Zu den wichtigsten Herausforderungen bei der Entwicklung von PEC-Systemen gehören die Verbesserung der Stabilität, Effizienz und Skalierbarkeit von Photoelektrodenmaterialien bei gleichzeitiger Minimierung der Kosten:
- Materialstabilität: Viele Photoelektrodenmaterialien zersetzen sich unter den rauen Bedingungen von PEC-Zellen, insbesondere bei längerer Einwirkung von Licht, Wasser und reaktiven Spezies. Die Fotokorrosion von Halbleitern, insbesondere in oxidativen oder reduktiven Umgebungen, begrenzt die Lebensdauer der Geräte.
- Effizienz: Die begrenzte Solar-zu-Wasserstoff (STH)-Effizienz resultiert aus unzureichender Lichtabsorption, geringer Ladungsträgermobilität und schlechter Ladungstrennung bei einigen Materialien. Die Rekombination photogenerierter Elektron-Loch-Paare verringert den effektiven Photostrom.
- Katalysatorintegration: Effektive Katalysatoren sind erforderlich, um die Überspannung für OER und HER zu reduzieren. Die Integration von Katalysatoren mit Photoelektroden, ohne die Lichtabsorption oder Stabilität zu beeinträchtigen, bleibt eine Herausforderung.
- Skalierbarkeit und Kosten: Hochleistungsmaterialien wie III-V-Halbleiter oder Edelmetallkatalysatoren sind teuer und schwierig im großen Maßstab für die Wasserstoffproduktion einzusetzen. Die Entwicklung von Materialien aus häufig vorkommenden Elementen, kostengünstigem Material ohne Leistungseinbußen ist entscheidend.
- Integration und Gerätearchitektur: Die effiziente Kopplung von Lichtabsorption, Ladungstransport und katalytischen Prozessen in einem einzigen Gerät ist komplex.
Die Bewältigung dieser Herausforderungen erfordert einen multidisziplinären Ansatz, der Fortschritte in der Materialwissenschaft, Nanotechnologie und Geräteentwicklung kombiniert, um robuste und effiziente PEC-Systeme für eine nachhaltige Wasserstoffproduktion zu entwickeln.
Photokatalytische Wasserspaltung
Die photokatalytische Wasserspaltung ist ein Prozess, der lichtaktivierte Katalysatoren nutzt, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten und so eine nachhaltige Methode zur Erzeugung von erneuerbarem Wasserstoff bietet. Bei Beleuchtung absorbieren Photokatalysatoren Photonen, um Elektron-Loch-Paare zu erzeugen, die die Reduktions- und Oxidationsreaktionen antreiben, die für die Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklung erforderlich sind. Effektive Photokatalysatoren müssen geeignete Bandlückenenergien, eine effiziente Ladungstrennung und eine langfristige Stabilität in Wasser aufweisen. Häufig verwendete Materialien sind Metalloxide, Sulfide und Nitride, die oft mit Kokatalysatoren modifiziert werden, um die Reaktionsraten zu verbessern.
Forschung zur photokatalytischen Wasserspaltung am AIT
- Wir synthetisieren reichlich vorhandene und effiziente Photokatalysatoren unter Verwendung einer Reihe von Vakuum- und chemischen Abscheidetechniken.
- Wir simulieren und implementieren Nanostrukturen zur Lichtsteuerung, um die photokatalytische Aktivität zu steigern.
- Wir testen photokatalytische Prozesse im Millimetermaßstab bis hin zu großtechnischen Reaktoren.
Wichtige Herausforderungen der photokatalytischen Wasserspaltung
Trotz seines Potenzials müssen Herausforderungen wie niedrige Solar-zu-Wasserstoff-Effizienz, begrenzte Absorption von sichtbarem Licht und Materialabbau überwunden werden, um die photokatalytische Wasserspaltung für großtechnische Anwendungen praktikabel zu machen.
