Nachhaltige Wasserstoffproduktion dank Rost

Wasserstoff gilt als Energiespeicher mit großer Zukunft. Die erzielbaren Energiedichten sind enorm und die Speicherung von Energie in Form von Treibstoff hat sich bisher gut bewährt. Das Problem, das es zu lösen gilt, ist die umweltverträgliche Herstellung des Gases. Die Aufspaltung mittels Elektrolyse ist eine Möglichkeit, sie würde für eine wirtschaftliche Umsetzung aber rund um die Uhr große Mengen an nachhaltig produziertem Strom erfordern. Es gibt aber auch die Möglichkeit, Wasser auf photoelektrochemischem Weg aufzuspalten. Dabei werden Katalysatoren in dünnen Schichten angeordnet, an deren Grenzflächen durch die Einstrahlung von Sonne Elektronen angeregt werden. Mit der Energie kann das Wasser in einem solchen Reaktor gespalten werden.

Diese Methode ist effizienter als die Elektrolyse, hat aber den Nachteil, dass die als Katalysatoren in Frage kommenden Materialien teuer sind und sich beim Prozess schnell abnutzen. Hier setzt die Arbeit von Rachel Morrish, ihres Zeichens Spitzenforscherin an der Colorado School of Mines, an. Wie sie Wasserstoff effizient und umweltverträglich herstellen will, hat die Chemikerin im Rahmen eines Vortrags an der FH Campus Wien erklärt. “Wir orientieren uns an der Photosynthese in der Natur und suchen nach Halbleiter-Materialien, die günstig, hochverfügbar und nachhaltig sind”, so Morrish gegenüber der futurezone.

Weiter Weg

Der theoretische Wirkungsgrad dieser Wasserstoff-Herstellungsmethode liegt bei 30 Prozent. Der derzeitige Laborrekord liegt bei 12 Prozent, wurde allerdings mit Gallium-Arsenid erzielt, einem jener teuren und kurzlebigen Materialien, die Morrish zu ersetzten sucht. “Wir stehen hier erst am Anfang, aber in 20 Jahren könnten unsere Reaktoren sauberen Wasserstoff erzeugen”, so die Forscherin. Für die Rolle als Katalysatoren in solchen photoelekrtochemischen Systemen gibt es bereits einige Kandidaten. “Wir arbeiten etwa mit Eisenoxid, also Rost, Eisendisulfid, das auch als Katzengold bekannt ist, oder Titandioxid, das bislang am besten erforscht ist”, erklärt Morrish.

Für die Verwendung als Katalysatoren reicht es allerdings nicht, den Rost von einem alten Stück Eisen zu kratzen. Die Materialien kommen in sehr dünnen Schichten in den Zellen zum EInsatz, “Wir versuchen, die Eigenschaften der Materialien zu verbessern, indem wir ihnen Nanostrukturen geben oder sie mit anderen Atomen dotieren”, so die US-Chemikerin. Um kommerziell verwertbare Zellen herzustellen, müssten ein Wirkungsgrad von rund 10 Prozent erreicht werden, derzeit bewegen sich Versuchsaufbauten aber lediglich bei etwa drei Prozent. Eine Mischung der verschiedenen Katalyssatoren ist ein Weg, wie Morrish ihrem Ziel näherkommen will. “In einer kommerziellen Zelle werden wohl zumindest zwei Katalysatoren zum EInsatz kommen”, so die Wissenschaftlerin.

Großes Interesse

Interesse an Morrishs Arbeit gibt es zuhauf, obwohl eine Markteinführung noch in weiterer Ferne liegt. Mehrere Firmen investieren bereits Geld in die Forschungsarbeit. Die Aussicht auf eine unerschöpfliche, grüne Wasserstoffquelle ist auch sehr verlockend. Zwar haben Brennstoffzellen zuletzt für etwas weniger Aufsehen gesorgt, als etwa neue Akku-Technologien, ihr Potenzial ist aber unbestritten. “Ich bin sicher, dass sowohl Brennstoffzellen als auch Akkus in Zukunft eine wichtige Rolle spielen werden. Brennstoffzellen haben den Vorteil, dass sie weitaus effizienter sind als Akkus”, erklärt Morrish.

Eine künftige Zelle zur Herstellung von Wasserstoff, könnte eine kostengünstige Energieherstellung in Entwicklungsländern ermöglichen. “Die Technik ist wenig aufwendig und funktioniert auch mit Salzwasser”, erklärt die Forscherin. Eine Zelle für jeden Haushalt wäre ebenfalls denkbar, da die Zellen nicht teuer in der Herstellung sein sollten. “Der größte Kostenfaktor wäre wohl die verbaute Elektronik”, so Morrish. Eine Zelle sollte etwa 10 Jahre lang betrieben werden, bevor die Katalysatoren ihren Dienst versagen. Dazwischen müsste lediglich das verbrauchte Wasser regelmäßig ersetzt werden. Die verwendeten Materialien sollen unbedenklich sein, wodurch auch keine toxischen Abfälle entstehen sollen. Bis dahin ist es aber noch ein langer Weg, wie Morrish betont. Derzeit versucht die Forscherin, Katalysatoren herzustellen, die eine passende Bandlücke und die richtige Struktur haben. “Ein Wirkungsgrad von 15 Prozent wäre aus heutiger Sicht Wahnsinn”, so die Forscherin.