Photoelektrokatalytische Wasserstofferzeugung

Die Produkte der photosynthetischen Prozesse wie Photokatalyse und CO₂ Reduktion motivieren technologische Entwicklungen in der künstlichen Photosynthese. Wenn sie richtig nachgebildet werden, könnten solche photosynthetischen Prozesse zur effizienten und nachhaltigen Herstellung höchst wünschenswerter Kraftstoffe und Chemikalien wie Wasserstoff genutzt werden.

Photoelektrokatalytische Prozesse bieten das Potenzial, Sonnenenergie zu nutzen, um Wasser bei niedrigen Betriebstemperaturen und mit sehr geringen Kosten in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten. hoher Wirkungsgrad. Während Elektrolyse-Technologien sind Obwohl die Herstellung von grünem Wasserstoff rasch voranschreitet, schränken der hohe Energiebedarf und die hohen Betriebskosten ihre Rentabilität noch immer ein. Investitionen in die Erforschung der photoelektrokatalytischen Wasserstofferzeugung haben daher das Potenzial, eine zusätzliche Möglichkeit zur Gewinnung von grünem Wasserstoff zu bieten - ohne Elektrolyse

A Palette von Verbindungen werden als potenzielle Katalysatoren zur Erleichterung der photoelektrokatalytischen Wasserstofferzeugung untersucht. Viele Techniken nutzen TiO₂ basierten Photokatalysatoren für solche Prozesse. Ein Beispiel dafür ist Forschungsgruppe in China verwendet TiO₂ Nanoröhren-Arrays in Verbindung mit halbleitenden Nanopartikeln als Katalysator für die Wasserspaltung zur Bildung von H₂.

Die Ölgesellschaft Repsol ist ebenfalls bestrebt, effizientere Methoden zur Erzeugung von grünem Wasserstoff zu finden. Als größter Erzeuger und Verbraucher von Wasserstoff in Spanien hat das Unternehmen an mehreren photoelektrokatalytischen Wasserstoffanlagen gearbeitet, darunter auch an einem aktuellen Projekt im Petronor Komplex im Baskenland. Sie hatten zuvor mit spanischen Forschungsinstituten und Enagás zusammengearbeitet, um sowohl Onshore- als auch Offshore-Elektrolyseprojekte in Mallorca und Asturien.

Effizienz des Prozesses

Aufgrund des hohen Energiebedarfs und des Multi-Elektronen-Transfer-Mechanismus, der bei der Wasserspaltung zum Tragen kommt, ist es eine Herausforderung, Wasserstoff mit hoher Effizienz zu erzeugen - daher werden Forscher kreativ. Im Jahr 2020 entwickelte die Shinshu-Universität ein mit Aluminium dotiertes SrTiO₃ Katalysatorsystem die unter ganz bestimmten Licht- und Halbleiterbedingungen nahezu 100% effizient ist. Dieser Prozess erfordert Optimierung um wirklich lebensfähig zu werden, aber es ist ein bedeutender Schritt in Richtung einer effizienten photokatalytischen Wasserspaltung. Eine zweite Studie im Jahr 2021 festgestellt, dass Biomasse als Wasserstoffquelle verwendet werden kann, um die Erträge auf bis zu 70% zu steigern.

Die Herausforderung besteht jedoch darin, einen praktischen Photokatalysator zu finden, der aus in der Erde vorkommenden Materialien hergestellt werden kann, keine giftigen Abfallprodukte erzeugt und Sonnenenergie effizient einfangen und umwandeln kann. Mit diesem Ziel vor Augen, eine weitere Studie experimentiert mit der Verwendung von verkohltem Holz als Substrat, um die Effizienz der Wasserspaltungsreaktion zu erhöhen. Vorerst bleibt jedoch die photoelektrochemische Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoff unter 20% Effizienz für praktische, nicht laborgestützte Systeme.

Wasserquelle

Eine weitere Herausforderung besteht darin, eine brauchbare Wasserquelle für photoelektrokatalytische Wasserstoffprozesse zu finden, da es unwahrscheinlich ist, dass hochreines Süßwasser als Reaktionsmittel verwendet werden kann. Einige Forscher untersuchen die Möglichkeit der Spaltung von Meerwasser, wofür allerdings spezielle Verbindungen erforderlich sind. Die Verwendung von Co₃O₄ wird derzeit untersucht, da es sich um einen stabilen, ungiftigen, porösen Film handelt, der mit dem Meerwasser als Katalysator wirken kann. Bislang hat der mit dieser Methode erzeugte Wasserstoff nur einen Wirkungsgrad von 8%.

Der Versuch, die Rolle des aus 17 Proteinuntereinheiten und zahlreichen Kofaktoren bestehenden Photosystems II nachzuahmen, erweist sich als eine ziemliche Herausforderung. Deshalb Forscher untersuchen auch Alternativen wie die Verwendung von Mikroalgen, die eine natürliche photolytische und photofermentative Wasserstoffproduktion aufweisen. Die Wasserstoffausbeute bei dieser Methode ist noch gering, aber die Forscher untersuchen, wie sich die Effizienz verbessern lässt, und finden kreative Wege, um ihre Prozesse beispielsweise mit Abwasser zu betreiben.

Wie viele Aspekte der Wasserstoffwirtschaft steckt auch die Erforschung der photoelektrokatalytischen Wasserstofferzeugung noch in den Kinderschuhen und hat noch einen langen Weg vor sich, bis sie kommerziell nutzbar ist. Mit der Zeit und anhaltendem Interesse wird diese Forschung hoffentlich Lösungen für die aktuellen klimatischen und technischen Herausforderungen bieten, mit denen die Welt konfrontiert ist.