Durchbruch in der Solarphotolyse von Wasser zur Wasserstofferzeugung

Die Einführung von „CO2-Peaking“- und „CO2-Neutral“-Strategien hat zu einer Verringerung der CO2-Emissionen geführt, wobei Wasserstoff als sauberer Kraftstoff eine attraktive Option darstellt. Auf der anderen Seite wird Wasserstoff auch für viele chemische Prozesse benötigt, etwa für die Herstellung von Düngemitteln. Allerdings wird Wasserstoff derzeit hauptsächlich durch die Umwandlung von Wasser und Gas gewonnen, ein Prozess, der nicht nur große Kohlenstoffemissionen erzeugt, sondern auch große Mengen an thermischer Energie verbraucht.

Natürliche Photosynthese (Pflanzen verwenden Sonnenlicht, um Wasserstoffatome aus Wasser zu gewinnen) ist bekannt, aber gibt es eine „künstliche Photosynthese“-Technik, um Wasserstoff zu gewinnen? Die photokatalytische Wasserstofferzeugung auf Basis der Totalhydrolyse ist eine umweltfreundliche und nachhaltige Technologie, die nur Sonnenlicht und Wasser verbraucht und keine CO2-Emissionen erzeugt, weshalb sie derzeit viel Aufmerksamkeit auf sich zieht. Die geringe Umwandlungseffizienz von Solar zu Wasserstoff (STH) aktueller photokatalytischer THMs schränkt jedoch ihre praktische Anwendung ein.

Vor diesem Hintergrund hat das Team von Professor Yonezawa an der University of Michigan eine Strategie entwickelt, um STH-Effizienzen von bis zu 9,2 Prozent unter Verwendung von reinem Wasser, konzentriertem Sonnenlicht und einem Indium-Gallium-Nitrid-Photokatalysator zu erreichen, der die Schlüsselschritte der natürlichen Photosynthese nachahmt. Experimente im Freien zeigen, dass es einen großen Sprung nach vorne für die Technologie darstellt, da es fast zehnmal effizienter ist als vergleichbare Experimente zur solaren Wasserspaltung. Insbesondere haben die Forscher gezeigt, dass die photokatalytische vollständige Wasserzersetzung auf InGaN/GaN-Oberflächen nicht nur die Vorwärtswasserzersetzungsreaktion fördert, sondern auch die umgekehrte Wasserstoff-Sauerstoff-Komplexierungsreaktion durch den durch hochintensives fokussiertes Sonnenlicht erzeugten Infrarot-Thermoeffekt hemmt, wodurch die InGaN-Nanodrähte, die eine extrem hohe photokatalytische Gesamtwasserzersetzungseffizienz aufweisen. Die Forschungsergebnisse wurden in der aktuellen Ausgabe von Nature unter dem Titel „Solar-to-hydrogen efficiency of more than 9 Prozent in photocatalytic water splitting“ veröffentlicht.

Die Forscher erzielten mit reinem Wasser, konzentriertem Sonnenlicht und einem Indium-Gallium-Nitrid-Photokatalysator einen hohen STH-Wirkungsgrad von 9,2 Prozent. Der Erfolg der Strategie in diesem Papier ergibt sich aus dem synergistischen Effekt der Förderung der Vorwärts-Wasserstoff-Sauerstoff-Entwicklung und der Hemmung der Rückwärts-Wasserstoff-Sauerstoff-Rekombination, die durch den Betrieb bei der optimalen Reaktionstemperatur (~70 Grad Celsius) direkt durch vorheriges Ernten erreicht werden kann verschwendetes Infrarotlicht des Sonnenlichts. Darüber hinaus führte diese temperaturabhängige Strategie auch zu STH-Effizienzen von etwa 7 % bei weit verbreitetem Leitungswasser und Meerwasser und 6,2 % bei einem großen photokatalytischen Wassertrennsystem mit einer natürlichen Sonneneinstrahlungskapazität von 25 7 W. Diese Forschung bietet einen praktischen Ansatz für die effiziente Produktion von Wasserstoffbrennstoff aus natürlichem Sonnenlicht und Wasser, wodurch der Effizienzengpass der solaren Wasserstoffproduktion überwunden wird.