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Wasserbasierte Beschichtung verbessert Photoanoden für solare Wasserstoffproduktion
Für die Gewinnung von Wasserstoff mit Sonnenlicht sind leistungsfähige Photoelektroden nötig. Das Aufbringen lichtabsorbierender Nanokristalle kann jedoch hohe Spannungen und problematische organische Lösemittel erfordern. Eine neue wasserbasierte Methode kommt bei der Beschichtung mit nur vier Volt aus. Die so hergestellte Elektrode lieferte im Labor etwa zehnmal so viel Photostrom wie einfache Vergleichselektroden.
Daegu (Südkorea). Bei der photoelektrochemischen Wasserstoffgewinnung soll Sonnenlicht die Aufspaltung von Wasser unterstützen. Eine dafür eingesetzte Elektrode muss möglichst viel Strahlung aufnehmen und die erzeugten elektrischen Ladungen für die chemische Reaktion nutzbar machen.
Titandioxid (TiO₂) ist zwar beständig, absorbiert aber vor allem ultraviolettes Licht und nutzt deshalb nur einen begrenzten Teil des Sonnenspektrums. Silber-Bismut-Sulfid (AgBiS₂) kann dagegen auch sichtbares und nahinfrarotes Licht aufnehmen, verliert jedoch viele Ladungsträger durch Rekombination. Eine Kombination beider Halbleiter könnte ihre jeweiligen Schwächen ausgleichen.
Forscher der Kookmin University (KMU) um Prof. Younghoon Kim haben gemeinsam mit Kollegen eine Photoanode aus beiden Materialien entwickelt. In dieser lichtaktiven Elektrode unterstützt das Titandioxid den Ladungstransport, während Nanokristalle aus Silber-Bismut-Sulfid zusätzliche Anteile des Sonnenlichts einfangen.
Dazu veränderte das Team die Oberfläche der Nanokristalle mithilfe von 3-Mercaptopropionsäure, sodass sie sich in Wasser verteilen ließen. Bei der anschließenden elektrophoretischen Abscheidung wanderten die Teilchen unter Einfluss einer elektrischen Spannung zur Elektrode und lagerten sich dort an. Nach Angaben der begleitenden Studienmitteilung dauerte die Beschichtung drei Minuten.
Das Verfahren benötigte für diesen Herstellungsschritt nur vier Volt statt der zuvor eingesetzten rund 200 Volt und kam dabei ohne giftige organische Lösemittel aus. Die Spannungsangabe betrifft ausschließlich die Fertigung der Beschichtung, nicht den späteren Energiebedarf der Wasserstoffgewinnung.
Bei einer Bestrahlung unter standardisierten Bedingungen ähnlich dem Sonnenlicht erreichte die neue Photoanode eine Photostromdichte von 3,0 Milliampere pro Quadratzentimeter. Dieser Wert wurde bei einem Elektrodenpotenzial von 0,6 Volt gegenüber einer Wasserstoff-Referenzelektrode bestimmt. Im Vergleich mit einfachen Elektroden aus nur einem Material fiel der Photostrom laut Studienmitteilung rund zehnmal höher aus.
Die Verbindung der beiden Halbleiter soll bewirken, dass die durch Licht erzeugten positiven und negativen Ladungen seltener ungenutzt wieder zusammenfinden. Eine Gasanalyse bestätigte zudem die Entstehung von Wasserstoff. Eine zehnfache Steigerung des Photostroms bedeutet allerdings nicht automatisch, dass ebenso viel mehr Wasserstoff entsteht.
Nach zwei Stunden ununterbrochener Beleuchtung lieferte die Elektrode noch 65,1 Prozent ihrer anfänglichen Leistung. Das weist auf eine weiterhin erhebliche Abnahme innerhalb kurzer Zeit hin, auch wenn die neuen Materialien gegenüber bestimmten früheren Elektroden Verbesserungen zeigen.
Für einen praktischen Einsatz wären längere Stabilitätstests und belastbare Angaben zur tatsächlichen Wasserstoffausbeute notwendig. Auch ob die Herstellung bei größerem Maßstab insgesamt weniger Umweltbelastungen verursacht, ist durch die zugänglichen Angaben noch nicht geklärt.