Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Künstliche Photosynthese: Neue Photokathode mit viel Potential

13.05.2015

Ein Team des HZB-Instituts für Solare Brennstoffe hat eine neue Komposit-Photokathode entwickelt, um mit Sonnenlicht effizient Wasserstoff zu erzeugen. Damit kann Solarenergie chemisch gespeichert werden. Die Photokathode besteht aus einer Chalkopyrit-Dünnschicht vom PVComB, die mit einem neu entwickelten dünnen Film aus Titandioxid beschichtet ist, in den Platin-Nanoteilchen eingebettet sind. Diese Schicht schützt die Chalkopyrit-Dünnschicht nicht nur vor Korrosion, sondern beschleunigt außerdem als Katalysator die Wasserstoffbildung und weist selbst hohe Photostromdichte und Photospannung auf.

Manche kennen die elektrolytische Aufspaltung von Wasser vielleicht noch aus der Schule: Hält man zwei Elektroden ins Wasser und legt eine ausreichende Spannung an, dann bilden sich Gasbläschen aus Wasserstoff und Sauerstoff.


Die Rasterelektronenmikroskopie (links) zeigt den Querschnitt durch die Komposit-Photokathode. Eine TEM-Analyse (rechts) macht die Platin-Partikel im TiO2 sichtbar.

HZB

Wird diese Spannung nun durch Sonnenlicht in einer Solarzelle erzeugt, dann könnte man die flüchtige Solarenergie speichern, und zwar durch die Erzeugung von Wasserstoffgas. Denn Wasserstoff ist ein „chemischer Energiespeicher“ und vielseitig verwendbar.

Weltweit arbeiten Forschungsgruppen daher mit Hochdruck daran, kompakte, robuste und preiswerte Systeme zu entwickeln, die dieses Kunststück beherrschen. Doch das ist nicht einfach: Denn die Wasserstofferzeugung funktioniert am besten in saurer Umgebung, in der Solarzellen rasch korrodieren. Und Elektroden, die die Reaktion beschleunigen, bestehen bislang aus extrem teuren Elementen wie Platin oder Platin-Iridium-Verbindungen.

Neue Photokathode löst mehrere Probleme

Nun hat ein Team aus dem HZB-Institut für Solare Brennstoffe im Rahmen des BMBF-Cluster Projektes „Light2Hydrogen“ sowie im laufenden DFG-Schwerpunktprogramm „Solar H2“ eine neuartige Photoelektrode entwickelt, die diese Probleme löst: Sie besteht aus dem Solarzell-Material Chalkopyrit, das mit einem dünnen, transparenten und leitfähigen Film aus Titandioxid (TiO2) beschichtet ist.

Die Besonderheit: der TiO2-Film ist polykristallin und enthält einen kleinen Anteil an Nanopartikeln aus Platin. Dadurch entfaltet dieses neue Komposit besondere Talente: Es erzeugt erstens bei Lichteinfall eine erhebliche sogenannte Photospannung von fast 0,5 Volt, zweitens hohe Photostromdichten von bis zu 38 mAcm-2, beschleunigt drittens als Katalysator die Wasserstoffbildung und ist viertens vor Korrosion geschützt.

Da TiO2 transparent ist, erreicht ein großes Teil des Lichtes das photoaktive Chalkopyrit, was zu den hohen Photostromdichten und damit auch Photospannungen, vergleichbar mit einer konventionellen Dünnschicht-Solarzelle, führt.

Raffinierte Beschichtung ausgetüftelt

Das Rezept für diese raffinierte Beschichtung hat Anahita Azarpira während ihrer laufenden Promotion im Team um Privatdozent Dr. Thomas Schedel-Niedrig ausgetüftelt. Sie nutzt ein chemisches Verdampfungsdeposition-Verfahren(Spray-ILGAR), das am HZB-Institut für Heterogene Materialsysteme entwickelt und patentiert wurde.

Dabei werden chemische Vorprodukte von Titandioxid und Platin in Ethanol gelöst und mit Ultraschall vernebelt. Das so entstehende Aerosol, wird mit Hilfe eines Stickstoffgasstroms über das geheizte Substrat geleitet, so dass mit der Zeit eine feste, polykristalline Schicht auf dem Chalkopyrit wächst, in die winzige Platinpartikel eingebaut sind.

Mehr als 80 % des Sonnenlichts werden genutzt

Azarpira und ihre Kollegen variierten dabei den Platinanteil und untersuchten die Eigenschaften der so entstandenen Komposit-Schicht. Bei einem Volumenanteil von etwa 5% Platin (H2PtCl6) in der Precursorlösung erwiesen sich die Eigenschaften als optimal: „Mehr als 80 % des einfallenden Sonnenlichts im sichtbaren Spektrum werden in diesem Komposit-System in Photostrom umgewandelt und steht damit zur Wasserstofferzeugung zur Verfügung“, sagt Schedel-Niedrig.

Das bedeutet, dass kaum Licht verloren geht und die Lichtausbeute sehr groß ist. Hinzu kommt die in der Veröffentlichung beschriebene, hohe Langzeitstabilität von über 25 Stunden und die große photoelektrokatalytische Aktivität von ca. 690 erzeugten Wasserstoffmolekülen pro Sekunde und pro aktivem Zentrum auf der Katalysatoroberfläche unter Beleuchtung.

Demonstrator-Gerät angefertigt

Dennoch gibt es noch viel zu tun. Denn zurzeit kommt ein Großteil der benötigten Spannung von insgesamt ca. 1.8 Volt zwischen der Komposit-Photokathode und der Platin-Gegenelektrode noch aus einer Batterie, der Wirkungsgrad muss also noch verbessert werden.

„Wir konnten jedoch mit dieser Arbeit bereits zeigen, dass solche robusten Systeme das Potenzial haben, in Zukunft autark Solarenergie chemisch zu speichern und haben bereits ein Demonstrator-Gerät zur solaren Wasserstoffentwicklung zusammen mit einer Schweriner Firma im Rahmen des „Light2Hydrogen“-Projektes realisieren können“, so Schedel-Niedrig.

Publikation: Azarpira, A., Lublow, M., Steigert, A., Bogdanoff, P., Greiner, D., Kaufmann, C. A., Krüger, M., Gernert, U., van de Krol, R., Fischer, A. and Schedel-Niedrig, T. (2015), Efficient and Stable TiO2:Pt–Cu(In,Ga)Se2 Composite Photoelectrodes for Visible Light Driven Hydrogen Evolution. Adv. Energy Mater.. doi: 10.1002/aenm.201402148

PS: In einem kurzen Filmclip wird die Herstellung der Komposit-Photokathode anschaulich demonstriert. Sie können diesen Clip im HZB-Youtube-Kanal ansehen: https://www.youtube.com/watch?v=ma-ZXS4XUp4

Weitere Informationen:

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201402148/abstract Zur Publikation

Dr. Ina Helms | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Körperenergie als Stromquelle
22.08.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

nachricht „Cool“ bleiben im Büro: Wasser als Kältemittel im Alltag bald vor Durchbruch?
22.08.2017 | Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wissenschaftler entdecken seltene Ordnung von Elektronen in einem supraleitenden Kristall

In einem Artikel der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins „Nature“ berichten Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden von der Entdeckung eines seltenen Materiezustandes, bei dem sich die Elektronen in einem Kristall gemeinsam in einer Richtung bewegen. Diese Entdeckung berührt eine der offenen Fragestellungen im Bereich der Festkörperphysik: Was passiert, wenn sich Elektronen gemeinsam im Kollektiv verhalten, in sogenannten „stark korrelierten Elektronensystemen“, und wie „einigen sich“ die Elektronen auf ein gemeinsames Verhalten?

In den meisten Metallen beeinflussen sich Elektronen gegenseitig nur wenig und leiten Wärme und elektrischen Strom weitgehend unabhängig voneinander durch das...

Im Focus: Wie ein Bakterium von Methanol leben kann

Bei einem Bakterium, das Methanol als Nährstoff nutzen kann, identifizierten ETH-Forscher alle dafür benötigten Gene. Die Erkenntnis hilft, diesen Rohstoff für die Biotechnologie besser nutzbar zu machen.

Viele Chemiker erforschen derzeit, wie man aus den kleinen Kohlenstoffverbindungen Methan und Methanol grössere Moleküle herstellt. Denn Methan kommt auf der...

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

International führende Informatiker in Paderborn

21.08.2017 | Veranstaltungen

Wissenschaftliche Grundlagen für eine erfolgreiche Klimapolitik

21.08.2017 | Veranstaltungen

DGI-Forum in Wittenberg: Fake News und Stimmungsmache im Netz

21.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer IPM präsentiert »Deep Learning Framework« zur automatisierten Interpretation von 3D-Daten

22.08.2017 | Informationstechnologie

Globale Klimaextreme nach Vulkanausbrüchen

22.08.2017 | Geowissenschaften

RWI/ISL-Containerumschlag-Index erreicht neuen Höchstwert

22.08.2017 | Wirtschaft Finanzen