Ein Forschungsteam der Chalmers University of Technology in Schweden hat eine neue Methode zur Herstellung von Wasserstoffgas ohne das seltene und teure Metall Platin vorgestellt. Mithilfe von Sonnenlicht, Wasser und winzigen Partikeln aus elektrisch leitfähigem Kunststoff zeigen die Forscher, wie Wasserstoff effizient, nachhaltig und kostengünstig produziert werden kann.
Forschungsdurchbruch bei nachhaltigem Wasserstoff
Wasserstoff spielt eine Schlüsselrolle im weltweiten Streben nach erneuerbaren Energien. Obwohl bei seiner Verwendung nur Wasser als Nebenprodukt entsteht, gibt es noch erhebliche Herausforderungen, bevor er sowohl in großem Maßstab als auch auf umweltfreundliche Weise hergestellt werden kann. Eine große Herausforderung ist die Verwendung von Platin als Co-Katalysator, wenn Sonnenlicht und Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff genutzt werden. Die Platinreserven der Erde sind begrenzt und seine Gewinnung ist mit Risiken für die Umwelt und die menschliche Gesundheit verbunden. Darüber hinaus konzentriert sich die Produktion auf nur wenige Länder wie Südafrika und Russland.
In einer neuen Studie zeigt ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Ergang Wang von der Chalmers University of Technology jedoch, wie Sonnenenergie zur effizienten Erzeugung von Wasserstoffgas genutzt werden kann – und zwar ganz ohne Platin. Der Prozess, so erklärt Chalmers-Forscher Alexandre Holmes, umfasst Mengen winziger Partikel aus elektrisch leitfähigem Kunststoff. In Wasser getaucht, interagieren die Partikel sowohl mit Sonnenlicht als auch mit ihrer Umgebung.
Ein Forschungsteam der Chalmers University of Technology in Schweden hat eine neue Methode zur Herstellung von Wasserstoffgas ohne das seltene und teure Metall Platin vorgestellt. Mithilfe von Sonnenlicht, Wasser und winzigen Partikeln aus elektrisch leitfähigem Kunststoff zeigen die Forscher, wie Wasserstoff effizient, nachhaltig und kostengünstig produziert werden kann.
„Die Entwicklung effizienter Photokatalysatoren ohne Platin ist seit Langem ein Traum in diesem Bereich. Durch die Anwendung fortschrittlicher Materialdesigns auf unsere leitfähigen Kunststoffpartikel können wir Wasserstoff effizient, nachhaltig und zu deutlich geringeren Kosten produzieren. Sogar platinbasierte Systeme können damit übertroffen werden“, sagt Holmes. Er fungiert zusammen mit Jingwen Pan aus der Gruppe von Jiefang Zhu an der Universität Uppsala als Co-Erstautor der Veröffentlichung.
Die Angst vor Wasser als Schlüssel zum Erfolg überwinden
Die Bemühungen zur Überwindung des Platin-Engpasses laufen seit mehreren Jahren in der Forschungsgruppe von Wang an der Chalmers-Universität. Der Schlüssel zu dem neuen Ansatz liegt im fortschrittlichen Materialdesign des elektrisch leitfähigen Kunststoffs, der in dem Verfahren verwendet wird. Diese Art von Kunststoff, bekannt als konjugierte Polymere, absorbiert Licht effizient, ist jedoch in der Regel weniger wasserverträglich. Durch die Anpassung der Materialeigenschaften auf molekularer Ebene gelang es den Forschern jedoch, die Wasserverträglichkeit des Materials wesentlich zu verbessern.
„Wir haben auch eine Methode entwickelt, um den Kunststoff zu Nanopartikeln zu formen, die die Wechselwirkungen mit Wasser verbessern und den Prozess der Umwandlung von Licht in Wasserstoff beschleunigen können. Die Verbesserung beruht auf lockerer gepackten, hydrophileren Polymerketten innerhalb der Partikel“, sagt Holmes. Im Reaktor des Chemielabors von Chalmers sind die entstehenden Wasserstoffgasblasen mit bloßem Auge gut zu erkennen – ein Zeichen dafür, dass die Photokatalyse effizient abläuft.
Wenn eine Lampe, die simuliertes Sonnenlicht ausstrahlt, auf einen Becher mit Wasser gerichtet wird, der Nanopartikel enthält, bilden sich fast sofort kleine Wasserstoffgasblasen, die durch das Wasser aufsteigen. Diese werden gesammelt und durch Rohre zu einem Speicherbehälter geleitet. Dabei kann die produzierte Gasmenge in Echtzeit überwacht werden. „Mit nur einem Gramm des Polymermaterials können wir in einer Stunde 30 l Wasserstoff produzieren”, sagt Holmes.
Wasserstoffproduktion ohne Platin
Darüber hinaus zeigt eine kürzlich veröffentlichte Entdeckung von Forschungskollegen der Chalmers University, dass der elektrisch leitfähige Kunststoff auch ohne den Einsatz schädlicher Chemikalien und auf wesentlich kostengünstigere Weise hergestellt werden kann. Ein weiterer teurer Inhaltsstoff, der vermieden werden kann, ist Vitamin C. Der nächste große Schritt für Wangs Gruppe wird darin bestehen, den Wasserstoffprozess nur mit Sonnenlicht und Wasser ohne zusätzliche Hilfschemikalien zum Laufen zu bringen.
Derzeit verwenden sie Vitamin C, das als sogenanntes Opferantioxidans fungiert. Durch die Abgabe von Elektronen verhindert es, dass die Reaktion ins Stocken gerät, was im Labor zu hohen Wasserstoffproduktionsraten führen kann. Um wirklich nachhaltigen Solarwasserstoff zu realisieren, so Professor Wang, ist das Ziel, Wassermoleküle gleichzeitig in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten, wobei Sonnenlicht und Wasser die einzigen Inputs sind.
„Die Eliminierung von Platin in diesem System ist ein wichtiger Schritt hin zu einer nachhaltigen Wasserstoffproduktion für die Gesellschaft. Jetzt beginnen wir mit der Erforschung von Materialien und Strategien, die darauf abzielen, eine vollständige Wasserspaltung ohne Zusatzstoffe zu erreichen. Das wird noch einige Jahre dauern, aber wir glauben, dass wir auf dem richtigen Weg sind“, sagt Forschungsleiter Ergang Wang, Professor am Institut für Chemie und Chemieingenieurwesen der Chalmers-Universität.
