Forscher vom Energy Frontier Research Center der University of North Carolina Chapel Hill haben ein System entwickelt, das angeblich die Energie der Sonne in Wasserstoffbrennstoff umwandeln kann.
“Sogenannte Solarenergieträger wie Wasserstoff bieten eine Lösung dafür, wie man Energie für den Nachtbetrieb speichern kann – und zwar indem wir uns von der natürlichen Photosynthese inspirieren lassen‘, sagte Leitender Forscher Tom Meyer, Arey Distinguished Professor für Chemie am College of Arts and Sciences der UNC. ”Unsere neuen Erkenntnisse könnten das letzte große Puzzleteil für einen neuen Weg zur Speicherung der Sonnenenergie liefern – sie könnten den Wendepunkt für eine solarenergiebasierte Zukunft markieren.“
Das neue System, das als farbstoffsensibilisierte Photoelektrolysezelle (DSPEC) bezeichnet wird und von Meyer und seinen Kollegen an der UNC sowie von Greg Parsons Gruppe an der North Carolina State University entworfen wurde, erzeugt Wasserstoffbrennstoff, indem es die Energie der Sonne nutzt, um Wasser in seine Bestandteile zu spalten. Nach der Spaltung wird der Wasserstoff abgeschieden und gespeichert, während der Sauerstoff als Nebenprodukt in die Luft abgegeben wird.
“Aber das Spalten von Wasser ist äußerst schwierig”, sagte Meyer in einer Mitteilung. ”Man muss vier Elektronen von zwei Wassermolekülen entfernen, sie irgendwohin übertragen und dabei Wasserstoff herstellen; und sobald man das geschafft hat, müssen Wasserstoff und Sauerstoff getrennt gehalten werden. Die Frage, wie man Moleküle entwerfen kann, die das schaffen, ist eine wirklich große Herausforderung, die wir nun begonnen haben zu meistern.”
Meyers Design besteht aus zwei grundlegenden Komponenten: einem Molekül und einem Nanopartikel. Das Molekül, eine Chromophor-Katalysator-Assemblierung, absorbiert Sonnenlicht und setzt den Katalysator in Gang, der Elektronen aus dem Wasser abspaltet. Der Nanopartikel, an den Tausende von Chromophor-Katalysator-Assemblierungen gebunden sind, ist Teil eines Films aus Nanopartikeln, der die Elektronen forttransportiert, um Wasserstoff herzustellen.
Laut der UNC-Chapel Hill kam es selbst bei besten Anstrengungen immer wieder zu Ausfällen des Systems – entweder löste sich die Chromophor-Katalysator-Assemblierung von den Nanopartikeln oder die Elektronen konnten nicht schnell genug forttransportiert werden, um Wasserstoff herzustellen.
Um beide Probleme zu lösen, wandte sich Meyer an die Parsons-Gruppe der NCSU, um eine Technik anzuwenden, bei der der Nanopartikel mit einer dünnen Schicht aus Titandioxid beschichtet wurde.
Durch den Einsatz ultradünner Schichten stellten die Forscher fest, dass der Nanopartikel Elektronen viel schneller transportieren konnte als zuvor; die freigesetzten Elektronen standen nun für die Herstellung von Wasserstoff bereit. Außerdem gelang es ihnen, eine Schutzschicht zu entwickeln, die die Chromophor-Katalysator-Assemblierung fest an den Nanopartikel bindet und sicherstellt, dass diese Assemblierung dauerhaft auf der Oberfläche bleibt.
Mit fließenden Elektronen durch den Nanopartikel und einer stabilisierten Verankerung kann Meyers neues System die Energie der Sonne in Brennstoff umwandeln, ohne dafür fast keine externe Energie zu benötigen.
Die Infrastruktur zur Installation dieser Sonnenlicht-zu-Brennstoff-Wandler ist auf Basis bestehender Technologien in Sichtweite. Ein nächstes Ziel ist es, den gleichen Ansatz zu nutzen, um Kohlendioxid in einen kohlenstoffbasierten Brennstoff wie Formiat oder Methanol umzuwandeln.
“Wenn man darüber spricht, einen Planeten mit in Batterien gespeicherter Energie anzutreiben, ist das einfach nicht praktikabel”, sagte Meyer. ”Es zeigt sich, dass die energiedichteste Art, Energie zu speichern, in den chemischen Bindungen von Molekülen liegt. Und genau das haben wir gemacht – wir haben durch Chemie eine Lösung gefunden.”
