2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
Schliffbild von Kobaltoxid-Nanostäbchen
Amerikanische und chinesische Chemiker haben eine neue Solarzelle entwickelt - ein Gerät zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser mit Sonnenenergie. Auf teure Materialien verzichteten Wissenschaftler bewusst: Der Elektrolyseur basiert auf Katalysatoren aus Kobaltoxid-Nanostäbchen und einer Perowskit-Solarzelle, die von einer Verpackungsfolie umhüllt sind. Der Wirkungsgrad der Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoff beträgt 6, 7 Prozent. Die Forschungsergebnisse werden in der Zeitschrift ACS Nano veröffentlicht.
Einer der Hauptnachteile von Solarzellen ist der intermittierende Betrieb. Die Leistung eines Solarkraftwerks ist abhängig von Jahreszeit, Tageszeit und Wetter. Daher müssen Sie für die effektive Nutzung von Sonnenenergie lernen, Energie bei Tageslicht zu speichern, um sie dann beispielsweise nachts nutzen zu können.
Das Problem lässt sich durch die Kombination zweier Technologien lösen: Photovoltaik und elektrokatalytische Wasserstofferzeugung. In einem solchen Gerät wird der von der Solarbatterie erzeugte Strom sofort genutzt, um durch Elektrolyse Wasserstoff aus Wasser zu gewinnen. Außerdem kann Wasserstoff zur Stromerzeugung im Dunkeln verwendet sowie gespeichert und transportiert werden.
Die Energie in einem solchen Gerät wird zweimal umgewandelt: Zuerst wird die Energie der einfallenden Photonen in elektrische Energie und dann in die Energie chemischer Bindungen des Wasserstoffmoleküls umgewandelt. Auf beiden Stufen treten Verluste auf, daher ist der Wirkungsgrad solcher Geräte noch nicht sehr hoch: Die besten zeigen einen Wirkungsgrad von 16-19 Prozent.
Typischerweise werden solche Vorrichtungen aus Siliziumsolarzellen hergestellt, und Metalle der Platingruppe – Platin, Iridium und Ruthenium – und ihre Verbindungen werden als Katalysatoren verwendet. Alle diese Materialien sind recht teuer, was eine weitere Skalierung von Solar-Wasserstoff-Systemen erschwert.
Chemiker um Jun Lou von der Rice University haben eine Solarzelle entwickelt, die keine teuren Materialien verwendet: Die Solarzelle besteht aus Blei-Halogenid-Perowskit CH3NH3PbI3, und der Katalysator für die Wasserelektrolyse besteht aus Kobaltoxid-Nanostäben.
Elektrolyseur-Schaltung
Perowskit wurde auch deshalb gewählt, weil solche Zellen höhere Leerlaufspannungswerte aufweisen als solche aus Silizium – bei der Wasserelektrolyse ist dieser Vorteil sehr wichtig. Kobaltoxid-Nanostäbe wiederum sind ein Material mit einer hohen spezifischen Oberfläche, das auf Elektroden aufgebracht wird, um die Elektrolyseeffizienz zu verbessern.
Die Nanostäbchen wurden hydrothermal aus einer Lösung von Kobaltnitrat und Harnstoff synthetisiert und anschließend zusätzlich mit Phosphor dotiert: Dazu wurden sie zusammen mit Natriumhydrogenphosphat in einem Ofen auf 300 Grad Celsius erhitzt. Die Zugabe von Phosphor verbessert die elektrokatalytische Aktivität der Stäbe, so dass die Elektrolyse bei niedrigeren Potentialen durchgeführt werden kann.
Auf teure und seltene Materialien verzichteten die Autoren bewusst, wo immer es möglich war. In einer Perowskit-Solarzelle haben sie beispielsweise die Goldkathode durch eine Kohlekathode ersetzt und auch die Polymerschicht zwischen Aktivschicht und Kathode verworfen. Diese Schicht besteht aus einem Polymer, das nur Löcher durchlässt, aber keine Elektronen durchlässt. Die Synthese solcher Polymere ist sehr schwierig, daher macht ihre Eliminierung die Vorrichtung viel billiger.
Darüber hinaus platzierten die Autoren erstmals eine Perowskit-Solarzelle direkt in eine Elektrolytlösung. Dadurch konnten ohmsche Verluste reduziert und ein besserer Gerätewirkungsgrad erreicht werden. Wasser ist für Perowskit-Solarzellen sehr gefährlich – schon geringe Wassermengen führen zu einer irreversiblen Degradation solcher Geräte. Daher musste die Solarzelle sicher verkapselt werden – auch hier wichen die Autoren nicht von ihren Prinzipien ab und verwendeten die kommerziell erhältliche Surlyn-Verpackungsfolie. Ihre Experimente zeigten, dass durch das Erhitzen einer solchen Folie auf 150 Grad Celsius für einige Sekunden eine vollständig dichte Beschichtung erreicht werden kann, die die Solarzelle zuverlässig vor Feuchtigkeit schützt.
Der Wirkungsgrad der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität betrug 10,6 Prozent und der Gesamtwirkungsgrad der Elektrolysezelle betrug 6,7 Prozent. Dies ist immer noch weniger als bei den besten Elektrolyseuren auf Basis von Silizium und Platingruppenmetallen, aber die Autoren glauben, dass ihr Elektrolyseur in Zukunft verbessert werden kann - zum Beispiel durch die Verwendung einer anderen Zusammensetzung des Perowskitmaterials oder das Experimentieren mit der Zusammensetzung des Katalysators.
Die Photoelektrolyse soll unter anderem zur Energieversorgung von Raumfahrzeugen eingesetzt werden. Zu diesem Zweck haben niederländische Chemiker eine Zelle entwickelt und getestet, die unter Mikrogravitationsbedingungen betrieben werden kann.
Natalia Samoilova
