Auf dem Weg zur künstlichen Fotosynthese

Die Natur weiss, wie‘s geht – die Forschung im Prinzip auch

07.06.2016 | RETO ZANETTIN
Im Forschungsprojekt «LightChEC» der Universität Zürich arbeiten auch Empa-Wissenschaftler/innen an einem neuartigen Verfahren zur künstlichen Fotosynthese: an der Fotokatalyse, die Wasser in einem rein chemischen Vorgang in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Im Unterschied zu anderen Verfahren kommt sie ohne die Elektrolyse von Wasser aus. Zur praktischen Anwendung gelangt die Fotokatalyse dennoch erst in einiger Zeit.
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Die Forscher/innen unterscheiden drei verschiedene Ansätze der künstlichen Fotosynthese: Die Fotokatalyse kommt der natürlichen Fotosynthese am nächsten. Aufgrund von Effizienzvorteilen kommt zurzeit aber vor allem die Fotoelektrolyse in so genannten PEC-Zellen zur Anwendung.

Eine nachhaltige Energieversorgung ist salonfähig geworden. Unternehmen investieren in sie, und Wissenschaftler/innen rund um den Globus suchen nach Alternativen zur Energiegewinnung aus Erdöl und Erdgas. An der Universität Zürich läuft beispielsweise seit Anfang 2013 das Grossforschungsprojekt «LightChEC». Ausgedeutscht heisst der universitäre Forschungsschwerpunkt «Von der Sonnenenergie zur chemischen Energie». Die beteiligten Forscher/innen wollen die künstliche Fotosynthese so weit ausfeilen, dass sie zur Energieversorgung von Wirtschaft und Gesellschaft taugt. Mit Andreas Borgschulte, Karl-Heinz Ernst und Andreas Züttel forschen gleich drei Empa-Wissenschaftler in «LightChEC» mit. Ernst und Züttel gehören zudem dem Steuerungsausschuss an.

Die Natur macht es vor

Bäume, Sträucher, Gräser oder auch Algen betreiben seit Urzeiten Fotosynthese. Dazu bilden sie in ihren Zellen den natürlichen Farbstoff Chlorophyll, auch als Blattgrün bekannt. Die chlorophyllhaltigen Pflanzenteile wandeln mithilfe von Sonnenlicht Kohlendioxid (CO2) und Wasser in Sauerstoff und Glukose, also Traubenzucker, um. Letzterer dient den Pflanzen als Energiequelle, der Sauerstoff wird abgegeben. Daher werden Wälder oft auch als «grüne Lunge» betitelt.

Die künstliche Fotosynthese soll ihr natürliches Vorbild nachahmen. Im Kern geht es dabei weniger um die Produktion von Zucker als vielmehr «nur» um die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mithilfe von Sonnenlicht. Der daraus gewonnene Wasserstoff dient entweder direkt als Energieträger, beispielsweise für den Antrieb von Brennstoffzellenfahrzeugen, oder aber er wird zur Synthese von Kohlenwasserstoffen wie Methan – dem Hauptbestandteil von Erdgas –, Ethan, Propan oder gar (flüssigem) Oktan benutzt.

Derzeit verfolgen die Forscher/innen verschiedene Ideen, die natürliche Fotosynthese zu kopieren, wie Empa-Forscher Borgschulte ausführt. Im einfachsten Ansatz wird Wasser mittels Solarstrom elektrolytisch in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Sonnenlicht mit Solarzellen zu ernten sowie die Elektrolyse von Wasser sind Prozesse, die prinzipiell getrennt voneinander ablaufen (können). Auf mikroskopischer Ebene lassen sie sich allerdings kombinieren, erklärt Borschulte. Man spricht dann von der Fotoelektrolyse in so genannten fotoelektrochemischen Zellen, die in Anlehnung an die englische Bezeichnung auch PEC-Zellen genannt werden. Eine solche haben Forscher/innen der Empa bereits 2014 präsentiert. Man kann sie sich als ein mit Wasser gefülltes Gefäss mit einer Fotoanode und einer Gegenelektrode vorstellen. Die Fotoanode absorbiert Sonnenlicht und liefert den Strom für die Wasserspaltung. Der Vorgang kommt also ohne Solarzellen aus. PEC-Zellen erreichen derzeit eine Effizienz von rund fünf Prozent. Das bedeutet, dass ein Zwanzigstel der «eingefangenen» Sonnenenergie in chemische Energie – Wasserstoff – umgewandelt wird.

Verfahren mit Zukunftspotenzial

Vor kurzem gelang es den Wissenschaftler/innen von «LightChEC» den gesamten Prozess in einem molekularen System in einer wässrigen Lösung nachzuahmen – die in PEC-Zellen eingesetzten Elektroden entfallen dadurch. Dieses Verfahren bezeichnet man als Fotokatalyse, mit der die Forscher/innen dem natürlichen Vorbild noch ein ganzes Stück näherkommen als mit PEC-Zelle.

Allerdings kann die Effizienz des im Rahmen von «LightChEC» entwickelten Verfahrens mit der Effizienz von PEC-Zellen noch nicht mithalten. Daher gilt es nun, noch diverse (Einzel-)Schritte zu optimieren, etwa, indem chlorophyll-ähnliche Farbstoffe oder die Katalysatoren für die Wasserspaltung weiter verbessert werden.

Vorerst aber bieten PEC-Zellen nebst der relativ hohen Effizienz einen weiteren Vorteil: Sie können bereits heute eingesetzt werden. Ebenso findet die Elektrolyse mittels Strom aus Fotovoltaik Anwendung, beispielsweise im Mobilitätsdemonstrator «move» der Empa: Mit ihm möchte die Empa aufzeigen, wie sich überschüssiger Strom aus Fotovoltaik- und Wasserkraftanlagen effizient für eine nachhaltige Mobilität nutzen lässt, etwa direkt zum Laden von Elektroautos oder zur Herstellung und Speicherung von Wasserstoff beziehungsweise von Methan.

Gesucht: bessere Katalysatoren

Das entsprechende Verfahren haben die Forscher/innen der Empa bereits zu einem guten Stück ausgereift, wollen es aber noch weiter verbessern. Dazu suchen sie unter anderem nach immer besseren Katalysatoren. Von diesen hängt es zum Beispiel ab, wie effizient CO2 und Wasserstoff zu Methan reagieren. Mittels modernster Analytik wollen die Empa-Forscher/innen die Wirkungsweise solcher Katalysatoren, also den molekularen Reaktionsmechanismus, besser verstehen lernen und so der Energiegewinnung mittels künstlicher Fotosynthese früher oder später zur Marktreife verhelfen.


Empa-Forscherin zur Professorin ernannt

Die Wasserspaltung mittels PEC-Zellen erfordert leistungsfähige und stabile fotoaktive Materialien. Insbesondere Stoffe für die Fotoanode, die das Sonnenlicht erntet, sind Gegenstand der Forschung. Doch alle bereits verwendeten Materialien ziehen über verschiedene Mechanismen Effizienzverluste nach sich und senken dadurch die Leistungsfähigkeit der Fotoelektrolyse.

Vor kurzem präsentierte eine Forschungsgruppe der Empa-Abteilung «Materials for Energy Conversion» eine Strategie, mit der sie die Verlustquellen ausmerzten: Die Forschenden um Simone Pokrant beschichteten die Fotoanode mehrfach mit verschiedenen Materialien, sodass jede Schicht einen Verlustmechanismus eliminierte. Die Kombination sämtlicher Schichten erhöhte die Gesamteffizienz der PEC-Zelle deutlich. Das Verfahren des Empa-Teams lässt sich sogar relativ leicht hochskalieren, was eine weitflächige Anwendung ins Blickfeld rückt.

Projektleiterin Simone Pokrant wurde Anfang Mai 2016 zur Professorin an der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes ernannt. In dieser Funktion wird sie ab Juni an elektrochemischen Energiespeichern forschen, also unter anderem auch ihre Arbeit an PEC-Zellen weiterführen. Bei der Empa widmete sich Simone Pokrant seit 2012 der Materialentwicklung für die fotoelektrochemische Wasserspaltung, für Batterien und Lumineszenzfarbstoffe.

Literatur

S Landsmann, Y Surace, M Trottmann, S Dilger, A Weidenkaff, S Pokrant (2016) Controlled Design of Functional Nano-Coatings: Reduction of Loss Mechanisms in Photoelectrochemical Water Splitting, Applied Materials & Interfaces, DOI: 10.1021/acsami.6b01129