Durchbruch bei Produktion von Wasserstoff nur aus Sonnenlicht

Ressourcen für Wasserstoff gibt es reichlich auf der Erde – aber die Herstellung ist energieaufwändig. Aktuell wird dazu oft Erdgas verwendet, wobei Emissionen entstehen. Der Wasserstoff selbst verbrennt zwar sauber, aber grün ist er aufgrund dieser Herstellungsmethode nicht.

Deshalb arbeiten Forscher weltweit daran, wie Wasserstoff umweltschonend hergestellt werden kann. Im Labor gelingt das schnell mal, was aber nicht heißt, dass diese Methoden zur Serienproduktion taugen. Deshalb hat das US-Energieministerium Schwellenwerte bestimmt, ab denen eine Methode als kommerziell relevant gilt. Für die Wasserstoff-Herstellung nur mit Sonnenlicht sind das 0,36 mmol/cm²·h (Millimol pro Quadratzentimeter pro Stunde).

Und genau bei dieser Methode ist ein Durchbruch gelungen, berichtet ein koreanisches Forschungsteam. Sie haben den Schwellenwert um ein Vielfaches überschritten – mit der Hilfe von Zuckerrohr-Abfall.

Doppelte Wasserstoff-Gewinnung

Gelungen ist das, indem sie Wasserstoff an beiden Seiten der Elektrode produzieren, anstatt nur an einer. Die Photoelektrode absorbiert das Licht und wandelt es in Elektronen um. Die Elektrode nutzt dazu als Basis kristallines Silizium. Das ist einerseits gut geeignet, weil es viele Elektronen erzeugt. Andererseits entstehen dabei nur 0,6 Volt, was es erschwert, die Aufspaltung des Wasserstoffs im Wasser zu starten, wenn keine zusätzliche Energiequelle genutzt wird.

Also haben die Forscher an die andere Seite der Elektrode Furfural gegeben. Das Öl, das in diesem Fall aus Zuckerrohr-Abfall gewonnen wird, oxidiert am Kupferdraht der Elektrode. Dabei entsteht als Reaktion Wasserstoff und Furan-2-carbonsäure. Diese kann wiederum in der Industrie als Konservierungsmittel und bei der Lackherstellung als Glanzmittel genutzt werden.

Durch das Nutzen von Oxidation auf der einen Seite, benötigt das System weniger Spannung, als wenn beide Seiten mit der Photoelektrode Wasserstoff erzeugen würden. Um die Spannungsbelastung für bei der Methode zusätzlich gering zu halten, was die Effizienz erhöht, wurde die Photoelektrode noch in Nickelfolie gewickelt und mit Glasschichten geschützt. Weil das Ganze im Wasser versenkt ist, hat das auch noch einen Kühleffekt für das System, was die Stabilität und Langlebigkeit erhöht.

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Rekordmenge

Mit der Methode wurde eine Wasserstoff-Produktionsrate von 1,40 mmol/cm²·h erreicht. Das ist beinahe die 4-fache Menge des Schwellenwerts des US-Energieministeriums. Laut den Forschern ist das außerdem ein neuer Rekord für solche Systeme, die lediglich Sonnenlicht nutzen, das mit einer einzelnen Komponente aufgefangen wird.

Die Forscher glauben, dass ihre Entwicklung eine entscheidende Rolle spielen wird. Sie könne die Wirtschaftlichkeit bei mit Sonnenlicht erzeugtem Wasserstoff verbessern. Damit soll erreicht werden, dass dieser grüne Wasserstoff preislich mit dem Wasserstoff mithalten kann, der mittels Erdgas gewonnen wird.