Kevin Sivula in seinem Labor (Quelle: Alain Herzog / EPFL, CC BY-SA)

Kevin Sivula in seinem Labor (Quelle: Alain Herzog / EPFL, CC BY-SA)

Ein Schritt zu solaren Brennstoffen aus der Luft

Publiziert

Chemieingenieure der EPFL haben ein solarbetriebenes künstliches Blatt erfunden, das auf einer neuartigen, transparenten und porösen Elektrode basiert, die Wasser aus der Luft aufnehmen und in Wasserstoff umwandeln kann. Die Technologie auf Halbleiterbasis ist skalierbar und einfach herzustellen.

Ein Gerät, das Wasser aus der Luft auffängt und Wasserstoff als Treibstoff liefert - und das ausschliesslich mit Sonnenenergie betrieben wird - ist seit Jahrzehnten ein Traum der Forscher. Nun haben der EPFL-Chemieingenieur Kevin Sivula und sein Team einen bedeutenden Schritt getan, um diese Vision der Realität näher zu bringen. Sie haben ein geniales und doch einfaches System entwickelt, das eine auf Halbleitern basierende Technologie mit neuartigen Elektroden kombiniert, die zwei wichtige Eigenschaften aufweisen: Sie sind porös, um den Kontakt mit dem Wasser in der Luft zu maximieren, und transparent, um die Sonneneinstrahlung auf die Halbleiterbeschichtung zu maximieren. Wenn das Gerät einfach dem Sonnenlicht ausgesetzt wird, nimmt es Wasser aus der Luft auf und produziert Wasserstoffgas. Die Ergebnisse werden am 4. Januar 2023 in Advanced Materials veröffentlicht.

Speicherung von Energie in Chemikalien
Was ist das Neue? Es sind ihre neuartigen Gasdiffusionselektroden, die transparent, porös und leitfähig sind und diese solarbetriebene Technologie zur Umwandlung von Wasser - in seinem gasförmigen Zustand aus der Luft - in Wasserstoffkraftstoff ermöglichen. "Um eine nachhaltige Gesellschaft zu verwirklichen, brauchen wir Möglichkeiten, erneuerbare Energie in Form von Chemikalien zu speichern, die als Brenn- und Einsatzstoffe in der Industrie verwendet werden können. Solarenergie ist die am häufigsten vorkommende Form erneuerbarer Energie, und wir streben danach, wirtschaftlich wettbewerbsfähige Verfahren zur Herstellung von Solartreibstoffen zu entwickeln", sagt Sivula vom EPFL-Labor für Molecular Engineering von optoelektronischen Nanomaterialien und Hauptautor der Studie.

Inspiration durch das Blatt einer Pflanze
Bei ihrer Forschung nach erneuerbaren, fossilfreien Kraftstoffen liessen sich die EPFL-Ingenieure in Zusammenarbeit mit Toyota Motor Europe von der Art und Weise inspirieren, wie Pflanzen in der Lage sind, Sonnenlicht in chemische Energie umzuwandeln, indem sie Kohlendioxid aus der Luft nutzen. Eine Pflanze nimmt im Wesentlichen Kohlendioxid und Wasser aus ihrer Umgebung auf und kann diese Moleküle mit dem zusätzlichen Energieschub des Sonnenlichts in Zucker und Stärke umwandeln - ein Prozess, der als Photosynthese bekannt ist. Die Energie des Sonnenlichts wird in Form von chemischen Bindungen in den Zuckern und Stärken gespeichert.
Die von Sivula und seinem Team entwickelten transparenten Gasdiffusionselektroden wirken, wenn sie mit einem Licht sammelnden Halbleitermaterial beschichtet sind, tatsächlich wie ein künstliches Blatt, das Wasser aus der Luft und Sonnenlicht aufnimmt, um Wasserstoffgas zu erzeugen. Die Energie des Sonnenlichts wird in Form von Wasserstoffbrückenbindungen gespeichert. Anstatt Elektroden aus herkömmlichen, für das Sonnenlicht undurchsichtigen Schichten zu bauen, besteht ihr Substrat aus einem dreidimensionalen Netz aus gefilzten Glasfasern.
Marina Caretti, Hauptautorin der Arbeit, sagt: "Die Entwicklung unseres Prototyps war eine Herausforderung, da transparente Gasdiffusionselektroden bisher noch nicht demonstriert wurden und wir für jeden Schritt neue Verfahren entwickeln mussten. Da jedoch jeder Schritt relativ einfach und skalierbar ist, denke ich, dass unser Ansatz neue Horizonte für eine breite Palette von Anwendungen eröffnen wird, angefangen bei Gasdiffusionssubstraten für die solarbetriebene Wasserstofferzeugung."

Von flüssigem Wasser zu Feuchtigkeit in der Luft
Sivula und andere Forschergruppen haben bereits gezeigt, dass es möglich ist, eine künstliche Photosynthese durchzuführen, indem sie mit Hilfe einer so genannten photoelektrochemischen Zelle (PEC) aus flüssigem Wasser und Sonnenlicht Wasserstoff als Brennstoff erzeugen. Eine PEC-Zelle ist allgemein als ein Gerät bekannt, das einfallendes Licht nutzt, um ein lichtempfindliches Material wie einen Halbleiter, der in eine flüssige Lösung getaucht ist, zu einer chemischen Reaktion anzuregen. Für praktische Zwecke hat dieses Verfahren jedoch einige Nachteile, z. B. ist es kompliziert, grossflächige PEC-Geräte herzustellen, die eine Flüssigkeit verwenden.
Sivula wollte zeigen, dass die PEC-Technologie stattdessen für die Gewinnung von Feuchtigkeit aus der Luft angepasst werden kann, was zur Entwicklung ihrer neuen Gasdiffusionselektrode führte. Es wurde bereits gezeigt, dass elektrochemische Zellen (z. B. Brennstoffzellen) mit Gasen anstelle von Flüssigkeiten funktionieren, aber die bisher verwendeten Gasdiffusionselektroden sind undurchsichtig und nicht mit der solarbetriebenen PEC-Technologie kompatibel.
Die Forscher konzentrieren sich nun darauf, das System zu optimieren. Was ist die ideale Fasergrösse? Die ideale Porengrösse? Die idealen Halbleiter und Membranmaterialien? Diesen Fragen geht das EU-Projekt "Sun-to-X" nach, das diese Technologie vorantreiben und neue Wege zur Umwandlung von Wasserstoff in flüssige Kraftstoffe entwickeln soll.

Literatur
Marina Caretti et al.; Transparent Porous Conductive Substrates for Gas-Phase Photoelectrochemical Hydrogen Production; Advanced Materials; 2022

EVENTS

Siams

Die Messe der Produktionsmittel der Mikrotechnik

Datum: 16.-19. April 2024

Ort: Moutier (CH)

Hannover Messe

Transfoming Industry Togheter

Datum: 22.-26. April 2024

Ort: Hannover (D)

IFAT

Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft

Datum: 13.-17. Mai 2024

Ort: München (D)

drupa

Weltweit führende Fachmesse für Drucktechnologien

Datum: 28. Mai-07.Juni 2024

Ort: Düsseldorf (D)

ArbeitsSicherheit Schweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz und Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 05.-06. Juni 2024

Ort: Zürich (CH)

EPHJ-EPMT-SMT

Internationale Ausstellung für Uhrenindustrie, Mikrotechnologie und Medizinaltechnik

Datum: 11 – 14 Juni 2024

Ort: Genf (CH)

Achema

Internationale Leitmesse der Prozessindustrie

Datum: 10.-14. Juni 2024

Ort: Frankfurt am Main (D)

SENSOR + TEST

Internationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik

Datum: 11.-13. Juni 2024

Ort: Nürnberg (D)

all about automation

Fachmesse für Industrieautomation

Datum: 28.-29. August 2024

Ort: Zürich (CH)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 28.-29. August 2024

Ort: Zürich (CH)

Rehacare

Die REHACARE ist die internationale Fachmesse für Rehabilitation, Prävention, Inklusion und Pflege.

Datum: 25. - 28. September 2024

Ort: Düsseldorf (D)

FachPack

Europäische Fachmesse für Verpackung, Technik, Veredelung und Logistik

Datum: 24.-26. September 2024

Ort: Nürnberg (D)

W3+ Fair Jena

Europas führende Plattform für Forschung und Innovationskraft

Datum: 25.-26. September 2024

Ort: Jena (D)

Cleanzone

Internationale Fachmesse und Kongress für Reinraumtechnologie

Datum: 25.-26. September 2024

Ort: Frankfurt am Main (D)

Ilmac Lausanne

Networking. Forum. Aussteller

Datum: 25.-26. September 2024

Ort: Lausanne (CH)

Ilmac

Fachmesse für Prozess- und Labortechnologie

Datum: 18.-19. September 2024

Ort: Lausanne (CH)

IN.STAND

Die Messe für Instandhaltung und Services

Datum: 08.-09. Oktober 2024

Ort: Stuttgart (D)

VISION

Weltleitmesse für Bildverarbeitung

Datum: 08.-10. Oktober 2024

Ort: Stuttgart (D)

IFAS

Fachmesse für den Gesundheitsmarkt

Datum: 22.-24. Oktober 2024

Ort: Zürich (CH)

ALL4PACK EMBALLAGE

The global marketplace for Packaging Processing Printing Handling

Datum: 04.-07. November 2024

Ort: Paris (F)

electronica

Weltleitmesse und Konferenz der Elektronik

Datum: 12.-15. November 2024

Ort: München (D)

SEMICON Europa

Europäische Leitmesse für Mikroelektronik

Datum: 12.-15. November 2024

Ort: München (D)

VALVE WORLD EXPO

Weltweite Leitmesse für Industrie-Armaturen

Datum: 03.-05. Dezember 2024

Ort: Düsseldorf (D)

LABVOLUTION

Europäische Fachmesse für innovative Laborausstattung und die Optimierung von Labor-Workflows

Datum: 20.-22. Mai 2025

Ort: Hannover (D)

Automatica

Die Leitmesse für intelligente Automation und Robotik

Datum: 24.-27. Juni 2025

Ort: München (D)

LASER World of PHOTONICS

Weltleitmesse und Kongressfür Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Datum: 24.-27. Juni 2025

Ort: München (D)

SINDEX

Schweizer Messe für industrielle Automatisierung

Datum: 02.-04. September 2025

Ort: Bern (CH)

CMS Berlin

Internationale Leitmesse für Reinigung und Hygiene

Datum: 23.-26. September 2025

Ort: Berlin (D)

POWTECH

Pharma.Manufacturing.Excellence

Datum: 23. - 25. September 2025

Ort: Nürnberg (D)

A + A

Messe und Kongress für Arbeitsschutz und Arbeitssicherheit

Datum: 04.-07. November 2025

Ort: Düsseldorf (D)

AQUA Suisse

Die Schweizer Fachmesse für kommunales und industrielles Wassermanagement.

Datum: 26.-27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Die Fachmesse für industrielle Pumpen, Armaturen & Prozesse

Datum: 26. - 27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

interpack

Führende Messe für Prozesse und Verpackung

Datum: 07.-13. Mai 2026

Ort: Düsseldorf (D)

Bezugsquellenverzeichnis