Spaltung von Wasser mit Sonnenenergie

Wasserstoff gilt als viel versprechendes Speichermedium, das sich via Elektrolyse aus überschüs­sigem Wind- oder Solarstrom gewinnen lässt. Direkter als diese Power-to-Gas-Technologie wären Anlagen, in denen Sonnenlicht die Spaltung von Wasser­molekülen unterstützt. Zu diesem Zweck hat eine Forscher­gruppe an der Eidgenös­sischen Technischen Hochschule in Lausanne nun einen Prototyp entwickelt, der günstige Perowskit-Solarzellen mit katalytisch effizienten Elektroden verknüpft. In ersten Testreihen erreichten die Wissen­schaftler bereits einen relativ hohen Wirkungsgrad von 12,3 Prozent.

Die Gruppe um Michael Grätzel fertigte für ihren Prototyp Perowskit-Solarzellen auf der Basis eines licht­aktiven, bleihaltigen Salzes – Methyl­ammonium­blei­halid. Diese Zellen allein zeigten Wirkungsgrade von über 15 Prozent und belegten damit das große Potenzial, das in diesen Silizium-freien Photo­voltaik-Modulen steckt. Jede Perowskit-Zelle für sich konnte eine Spannung von etwa einem Volt bereitstellen. So reichten zwei in Reihe geschaltete Solarzellen aus, um ausreichend Spannung für die Wasser­spaltung liefern zu können. Vergleichbare Spannungen aus Solarzellen auf Silizium­basis könnten dagegen nur mit drei bis vier gekoppelten Zellen erreicht werden.

Um ihre winzige Wasserstoff-Fabrik möglichst einfach und damit kostengünstig zu konzipieren, suchten Grätzel und Kollegen weiter nach einem Katalysator, der sowohl die Produktion von Wasserstoff als auch Sauerstoff effizient unterstützen konnte. Fündig wurden sie mit einer Material-Kombination aus Eisen, Nickel und geschichteten Hydroxiden – kurz NiFe-LDH genannt. Dieser Katalysator zeigte in einer wässrigen, basischen Natrium­­hydroxid-Lösung eine gute katalytische Wirkung für elektro­chemische Reduktions- und Oxidations­­prozesse.

Beleuchtet mit künstlichem Sonnenlicht erzeugte das Tandem aus Perowskit-Zellen nun Strom bei zwei Volt Spannung. Weitergeleitet auf die Katalysator-Elektroden ergab sich eine Stromdichte von etwa 10 Milliampere pro Quadrat­zentimeter. Eingetaucht in eine wässrige Lösung aus Natrium­hydroxid blubberten sofort kleine Gasblasen an beiden Elektroden: auf der einen Seite Wasserstoff, auf der anderen Seite Sauerstoff. Über mehrere Stunden sammelten die Wissen­schaftler dann die Gase. Der Energieinhalt des gewonnenen Wasserstoffs entsprach dabei 12,3 Prozent der eingesetzten Energie des künstlichen Sonnenlichts.

„Ein großer Nachteil dieses Systems ist die Insta­bilität der Perowskit-Zellen, wodurch die Strom­­ausbeute nach einigen Stunden abnimmt“, gibt Thomas Haman von der Michigan State University, der nicht an der Arbeit beteiligt war, zu bedenken. Grätzel und Kollegen sind sich dieses Problems sehr wohl bewusst. Doch sind sie überzeugt, dass Perowskit-Solarzellen durch verbesserte Fertigungs­­verfahren und einer geeigneten Passivierung bald stabiler werden könnten. Gelingt dieser Schritt, ließe sich ihr Verfahren zum Aufbau großer Wasserstoff-Fabriken nutzen, die ohne teure Kataly­satoren aus Platin oder Ruthenium­oxid auskommen. Da sich Wasserstoff unter Druck gut speichern und transpor­tieren lässt, könnten die Anlagen in Zukunft auch in Wüsten­regionen aufgebaut werden. Dabei ist es nicht unwahr­scheinlich, dass solar erzeugter Wasserstoff langfristig günstiger wird als mit der heute üblichen Gewinnung aus Erdgas.

Vereinfacht werden die solar betriebenen Prozesse zur Wasserstoff­­gewinnung unter der Bezeichnung „Künstliche Photo­synthese“ zusammengefasst. Allerdings sind die biologischen, auf Chlorophyll basierenden Prozesse zur Umwandlung von Sonnen­energie weitaus komplexer als die technischen Ansätze. Einige Forscher­­gruppen verfolgen die direkte photo­­chemische Wasser­spaltung. So erreichten vor gut einem Jahr Jiming Bao und Kollegen von der University of Houston mit Nano­­teilchen aus Kobaltoxid, die sie direkt in Wasser verteilten, einen Wirkungs­grad von etwa fünf Prozent. Aber bereits nach einer Stunde verloren die Nano­­partikel ihre katalytische Wirkung.

Jan Oliver Löfken

PH