Künstliche Photosynthese macht einen Schritt nach vorne

Eine von der US-Regierung unterstützte Forschungsanstrengung hat einen wichtigen Schritt getan, um die Fähigkeit einer Pflanze nachzuahmen, Sonnenlicht und Wasser in Kraftstoff umzuwandeln. Das Problem ist, dass die Forscher nicht genug Geld haben, um die Bemühungen fortzusetzen.





Der Gemeinsames Zentrum für künstliche Photosynthese (JCAP), ein Forschungsprogramm, das 2010 von der Obama-Regierung ins Leben gerufen wurde, umfasst Forscher in mehreren akademischen Labors, die von einem Team am Caltech geleitet werden. Diese Forscher haben einen Weg aufgezeigt, die Lebensdauer eines vielversprechenden Typs von Solarelektrolyseur zu verlängern, der Sonnenlicht verwendet, um Wasser direkt in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten. Der produzierte Wasserstoff könnte gespeichert und nachts in Kraftwerken oder Brennstoffzellenfahrzeugen zur Stromerzeugung genutzt werden.

JCAP wurde 2010 als einer von wenigen Innovation Hubs des US-Energieministeriums gegründet, mit einem Versprechen von 122 Millionen US-Dollar über fünf Jahre. Nathan Lewis, der Direktor des Zentrums, hofft, dass die jüngsten Fortschritte den Kongress dazu bewegen könnten, seine Finanzierung zu verlängern. Wir sind jetzt auf einem guten Weg und hoffen, dass wir weitermachen können, sagt er.

Es ist möglich, Wasserstoff indirekt mit Sonnenenergie herzustellen, indem Sonnenkollektoren verwendet werden, um einen herkömmlichen Elektrolyseur mit Strom zu versorgen. Aber das ist teuer – eine Menge Wasserstoffkraftstoff, die einer Gallone Benzin entspricht, würde 10 bis 20 Dollar kosten. Ein Gerät, das Sonnenlicht nutzen kann, um Wasser zu spalten, könnte die Kosten erheblich senken; Lewis sagt, dass der resultierende Wasserstoff nur 2 bis 4 Dollar für eine Menge kosten könnte, die einer Gallone Benzin entspricht, obwohl er sagt, dass es zu früh ist, solchen Schätzungen viel Vertrauen zu schenken.



Die JCAP-Forscher verwendeten zwei kommerziell erprobte Technologien, um ihr Gerät herzustellen: Elektrolyse und Silizium- oder Cadmium-Tellurid-Solarzellen. Um die Kosten zu senken, kombinierten sie Elemente aus beiden in einem einzigen Gerät auf eine Weise, die es weniger komplex und potenziell effizienter macht. Elektrolyseure haben zwei Elektroden, die mit Katalysatoren ausgestattet sind, die die zum Aufspalten von Wasser erforderliche Energiemenge reduzieren. In dem neuen System fügten die Forscher den Solarzellen Katalysatoren hinzu, die es ihnen ermöglichten, als Elektrolyseurelektroden zu dienen, wodurch die Anzahl der Teile reduziert wurde. Sie optimierten auch die Katalysatoren für die Arbeit mit den Solarzellen.

Die in den meisten Elektrolyseuren verwendeten alkalischen Lösungen zerstören Solarzellen normalerweise innerhalb von Sekunden, aber die Forscher fanden heraus, dass eine Art Nickeloxid als Katalysator dienen und auch Solarzellen schützen kann. Der Katalysator hilft dabei, Sauerstoffatome aus Wassermolekülen zu befreien und produziert Sauerstoffgas, indem er Energie aus den Solarzellen nutzt. In Tests ermöglichte das Material den Solarzellen eine Lebensdauer von über 1.000 Stunden – nicht ganz lange genug für ein kommerzielles Gerät, aber eine dramatische Verbesserung.

Das Gerät fungiert als eine der beiden Elektroden in einem Elektrolyseur. Für eine praktische Vorrichtung muss der Wasserstoffkatalysator verbessert werden. Es gibt einige effiziente Katalysatoren, aber sie funktionieren typischerweise in sauren Umgebungen, nicht in alkalischen.



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