Cambridge: Künstliche Blätter produzieren solaren Wasserstoff

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Welle sauberer Kraftstoffproduktion

Forscher der Universität Cambridge haben ultradünne, flexible, von der Photosynthese inspirierte „Blätter“ entwickelt. Da die kostengünstigen, autonomen Entwicklungen leicht genug zum Schwimmen sind, könnten sie zur Erzeugung einer nachhaltigen Alternative zu Benzin eingesetzt werden, ohne Platz an Land zu beanspruchen – so am 17.08.2022 Sarah Collins auf der Universitäts-Webseite.

Schwimmendes (echtes) Blatt – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify

Tests auf dem Fluss Cam haben gezeigt, dass sie Sonnenlicht so effizient wie Pflanzenblätter in Treibstoff umwandeln können. Dies ist das erste Mal, dass sauberer Treibstoff auf dem Wasser erzeugt wurde, und wenn die künstlichen Blätter in größerem Maßstab eingesetzt werden, könnten sie auf verschmutzten Wasserstraßen, in Häfen oder sogar auf See verwendet werden und dazu beitragen, die Abhängigkeit der weltweiten Schifffahrtsindustrie von fossilen Brennstoffen zu verringern. Die Ergebnisse wurden in Nature veröffentlicht: „Dieses blattähnliche PEC-Gerät überbrückt die Gewichtslücke zwischen den herkömmlichen Solartreibstoffkonzepten und zeigt Aktivitäten pro Gramm, die mit denen von photokatalytischen Suspensionen und Pflanzenblättern vergleichbar sind. Die vorgestellten leichten, schwimmenden Systeme könnten Anwendungen im offenen Wasser ermöglichen und so eine Konkurrenz zur Landnutzung vermeiden.“

Während Technologien für Erneuerbare Energien wie Wind- und Solarenergie in den letzten Jahren deutlich billiger und damit leichter verfügbar geworden sind, ist die Dekarbonisierung für Branchen wie die Schifffahrt eine viel größere Aufgabe. Rund 80 % des Welthandels wickeln mit fossilen Brennstoffen betriebene Frachtschiffe ab, und dennoch hat dieser Sektor in den Diskussionen über die Klimakrise bemerkenswert wenig Aufmerksamkeit erhalten.

Seit mehreren Jahren arbeitet die Forschungsgruppe von Professor Erwin Reisner in Cambridge an der Lösung dieses Problems, indem sie nachhaltige Lösungen für Benzin entwickelt, die auf den Prinzipien der Photosynthese beruhen. Im Jahr 2019 haben sie ein künstliches Blatt entwickelt, das aus Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser sauberes Synthesegas erzeugt – wichtiges Zwischenprodukt für die Herstellung vieler Chemikalien und Arzneimittel. Der frühere Prototyp erzeugte Kraftstoff durch die Kombination von zwei Lichtabsorbern mit geeigneten Katalysatoren. Er enthielt jedoch dicke Glassubstrate und feuchtigkeitsschützende Beschichtungen, die das Gerät unhandlich machten.

„Künstliche Blätter könnten die Kosten für eine nachhaltige Kraftstoffproduktion erheblich senken, aber da sie sowohl schwer als auch zerbrechlich sind, lassen sie sich nur schwer in großem Maßstab herstellen und transportieren“, so Virgil Andrei vom Yusuf Hamied Department of Chemistry in Cambridge, Mitautor der Studie. „Wir wollten herausfinden, wie weit wir die Materialien, die diese Geräte verwenden, reduzieren können, ohne ihre Leistung zu beeinträchtigen“, so Reisner, der die Forschung leitete. „Wenn sie leicht genug sind, um zu schwimmen, eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten für die Verwendung dieser künstlichen Blätter“.

Für die neue Version des künstlichen Blattes haben sich die Forscher von der Elektronikindustrie inspirieren lassen, wo die Miniaturisierungstechniken zur Entwicklung von Smartphones und flexiblen Displays geführt haben, die diesen Bereich revolutionieren. Die Herausforderung für die Cambridge-Forscher bestand darin, Lichtabsorber auf leichte Substrate aufzubringen und sie gegen das Eindringen von Wasser zu schützen. Um diese Herausforderung zu meistern, verwendete das Team Dünnschicht-Metalloxide und Perowskite, die auf flexible Kunststoff- und Metallfolien aufgetragen werden können. Die Geräte wurden mit mikrometerdünnen, wasserabweisenden Schichten auf Kohlenstoffbasis überzogen, die einen Feuchtigkeitsabbau verhindern. Das Ergebnis ist ein Gerät, das nicht nur funktioniert, sondern auch wie ein echtes Blatt aussieht.

Tests mit den neuen künstlichen Blättern zeigten, dass sie Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten oder CO2 zu Synthesegas reduzieren können. Bis zur Marktreife sind zwar noch weitere Verbesserungen erforderlich, doch eröffnet diese Entwicklung den Forschern zufolge ganz neue Wege in ihrer Arbeit.

Quellen: