Wissenschaftlerinnen der Universität Paderborn erforschen im Projekt „C2-SPORT“ die Gewinnung von Wasserstoff auf Basis von Solarenergie mithilfe bestimmter Kohlenstoffmaterialien.

 

Noch wird auch Wasserstoff größtenteils aus fossilen Quellen hergestellt. Und bei der klimafreundlichen Herstellung durch Elektrolyse aus erneuerbarem Strom sind Katalysatoren aus seltenen und teuren Materialien nötig. Daher gehen Wissenschaftlerinnen der Universität Paderborn einen neuen Weg. Im Projekt „C2-SPORT“ (Carbon Composites as Direct Z-Scheme Photocatalysts for Overall Water Splitting) wollen sie Wasserstoff auf Basis von Sonnenlicht gewinnen. Grundlage der Spaltung von Wasser in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) sind dabei bestimmte Kohlenstoffmaterialien.

Das Verfahren soll preiswerter und einfacher verfügbar sein als die Elektrolyse, bei der Wasserstoff durch Strom aus Wasser gewonnen wird. „Durch die Nutzung von Sonnenlicht zur Wasserspaltung in Wasserstoff und Sauerstoff kommen wir der Idealvorstellung einer rentablen und umweltfreundlichen Energiequelle einen großen Schritt näher“, erklärt Jun.-Prof. Maria Nieves Lopez Salas vom Department Chemie der Universität Paderborn.

Optimale Halbleiterkombination finden

Sie setzt das Vorhaben zusammen mit Dr. Ying Pan um. Ihr Konzept basiert auf dem sogenannten „direkten Z-Schema“, einer Methode, die von der natürlichen Photosynthese inspiriert ist. Dabei geht es – vereinfacht ausgedrückt – um die Kombination zweier Halbleitertypen. Das Besondere daran ist, dass es die Stärken beider Typen zusammenführt, was zu einer bisher unerreichten Effizienz der Wasserspaltung führt. Noch gibt es Hürden: Zum Beispiel ist es äußerst schwierig, Wasser mit nur einem Katalysator-Material vollständig in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten.

„Bei fotokatalytischen Reaktionen arbeiten Lichtabsorption, Ladungsträgertrennung und Oberflächenreaktionen der Katalysatoren zusammen, um aus Sonnenlicht Wasserstoff zu erzeugen“, erklärt Lopez Salas. Für eine hohe Leistung müssen diese Katalysatoren Licht gut absorbieren und Ladungen effizient trennen. Aktuell verfügbare Halbleiter, die nur aus einem Material bestehen, können diesen Anforderungen nur schwer gerecht werden.
 
Kohlenstoffhaltige Halbleiter könnten eine interessante Option für Z-Schema-Photokatalysatorsysteme sein. Ein Grund dafür ist, dass sie eine gute photokatalytische Aktivität aufweisen und leichter sind als andere Materialien wie etwa Titandioxid. Außerdem sind sie günstiger, zuverlässig und auf der Erde reichlich vorhanden. Geeignete Strategien, die es zu erforschen gilt, könnten sie zu hervorragenden Kandidaten für die Wasserstoffproduktion machen.

Pan beschreibt als Forschungsziel: „Das Verständnis wird einen bedeutenden Einfluss auf die Suche nach Technologien zur Umwandlung von Solar- in Wasserstoffenergie haben.“ Es könne die Basis für extrem effiziente Katalysatoren und ein großer Schritt in Richtung neuer Geräte zur künstlichen Photosynthese sein. Das Vorhaben wird ab April kommenden Jahres im Rahmen des Paderborner Wissenschaftskollegs gefördert. Bei C2-Sport sind Gastwissenschaftlerinnen von Universitäten in Australien und China beteiligt.