Blattähnliche Geräte, die leicht genug sind, um auf dem Wasser zu schwimmen, könnten zur Treibstofferzeugung aus Solarparks auf offenen Wasserquellen genutzt werden – ein Weg, der bisher noch nicht erforscht wurde, so die Forscher der Universität Cambridge im Vereinigten Königreich hat sie entwickelt. Die neuen Geräte bestehen aus dünnen, flexiblen Substraten und lichtabsorbierenden Schichten auf Perowskitbasis. Tests haben gezeigt, dass sie beim Schwimmen auf dem Fluss Cam entweder Wasserstoff oder Synthesegas (eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid) erzeugen können.
Bei künstlichen Blättern wie diesen handelt es sich um eine Art photoelektrochemische Zelle (PEC), die Sonnenlicht in elektrische Energie oder Kraftstoff umwandelt, indem sie einige Aspekte der Photosynthese nachahmt, beispielsweise die Aufspaltung von Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff. Dies unterscheidet sie von herkömmlichen Photovoltaikzellen, die Licht direkt in Strom umwandeln.
Da künstliche PEC-Blätter sowohl Lichtsammel- als auch Katalysekomponenten in einem kompakten Gerät enthalten, könnten sie im Prinzip zur kostengünstigen und einfachen Herstellung von Kraftstoff aus Sonnenlicht verwendet werden. Das Problem besteht darin, dass die derzeitigen Techniken zu ihrer Herstellung nicht skaliert werden können. Darüber hinaus bestehen sie häufig aus zerbrechlichen und schweren Schüttgütern, was ihre Verwendung einschränkt.
Im Jahr 2019 führte ein Team von Forschern durch Erwin Reisner entwickelte ein künstliches Blatt, das Synthesegas aus Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser produzierte. Dieses Gerät enthielt zwei Lichtabsorber und Katalysatoren, enthielt aber auch ein dickes Glassubstrat und Beschichtungen zum Schutz vor Feuchtigkeit, was es unhandlich machte.
Neue, leichte Version
Um die neue, leichtere Version herzustellen, mussten Reisner und Kollegen mehrere Herausforderungen meistern. Die erste bestand darin, Lichtabsorber und Katalysatoren in Substrate zu integrieren, die gegen das Eindringen von Wasser resistent sind. Dazu wählten sie ein dünnschichtiges Metalloxid, Bismutvanadat (BiVO).4) und photoaktive Halbleiter, sogenannte Bleihalogenid-Perowskite, die auf flexible Kunststoff- und Metallfolien aufgetragen werden können. Anschließend überzogen sie die Geräte mit mikrometerdickem, wasserabweisendem Polyethylenterephthalat. Das Ergebnis war eine Struktur, die funktioniert und wie ein echtes Blatt aussieht.
„Wir haben die Lichtabsorber in der Mitte der Geräte platziert, um sie vor Wasser zu schützen“, erklärt Reisner. „Insbesondere der feuchtigkeitsempfindliche Perowskit muss vollständig isoliert werden.“
Die Katalysatoren sind auf beiden Seiten des Geräts angebracht. Die Perowskite und BiVO4 Sie ernten Sonnenstrahlung, aber statt wie ein Photovoltaikmodul Strom zu erzeugen, nutzen sie die gewonnene Energie, um mit Unterstützung der Katalysatoren eine chemische Reaktion anzutreiben. „Damit können wir im Wesentlichen die Chemie auf einem Solarpanel vorantreiben – in unserem Fall die Umwandlung des Treibhausgases Kohlendioxid mit Wasser zur Herstellung von Synthesegas, einem wichtigen industriellen Energieträger“, erzählt Reisner Physik-Welt.
Die Forscher testeten ihre auf dem Fluss Cam in Cambridge schwimmenden Blätter und stellten fest, dass sie Sonnenlicht genauso effizient in Kraftstoffe umwandeln wie natürliche Pflanzenblätter. Tatsächlich erreichte ein Gerät mit einem Platinkatalysator eine Aktivität von 4,266 μmol H2 g-1 h-1.
Farmen zur Kraftstoffsynthese
„Solarparks sind für die Stromerzeugung beliebt geworden; Wir stellen uns ähnliche Farmen für die Kraftstoffsynthese vor“, sagt ein Teammitglied Vergil Andrej. „Diese könnten Küstensiedlungen und abgelegene Inseln versorgen, Industrieteiche abdecken oder die Wasserverdunstung aus Bewässerungskanälen verhindern.“
Der Flüssigkeitsfluss wird auf die von Nadelbaumblättern inspirierte Oberfläche gelenkt
„Viele Technologien für erneuerbare Energien, einschließlich Solarkraftstofftechnologien, können große Flächen an Land beanspruchen. Eine Verlagerung der Produktion in offene Gewässer würde also bedeuten, dass saubere Energie und Landnutzung nicht miteinander konkurrieren“, fügt Reisner hinzu. „Theoretisch könnte man diese Geräte zusammenrollen und fast überall in fast jedem Land platzieren, was auch zur Energiesicherheit beitragen würde.“
Die Forscher sagen, dass sie nun daran arbeiten werden, die Effizienz und Stabilität ihrer Geräte zu vergrößern und zu verbessern. „Unser Team untersucht auch neue Katalysatoren, um den chemischen Anwendungsbereich künstlicher Blätter zu erweitern, damit wir andere Produkte aus reichlich vorhandenen Rohstoffen und idealerweise langfristig viele verschiedene Chemikalien nach Bedarf herstellen können“, sagt Reisner.
Die vorliegende Studie ist ausführlich in Natur.
