Forscher der Nanyang Technological University haben ein solarbetriebenes künstliches Blatt entwickelt, das aus Meerwasser Wasserstoff erzeugt und gleichzeitig Hydrazin abbaut, einen giftigen Schadstoff, der in industriellen Abwässern vorkommt.
Ein Team der Nanyang Technological University (NTU) in Singapur hat ein künstliches Blatt vorgestellt , das mithilfe von Sonnenlicht Wasserstoff aus Meerwasser erzeugt. Das Gerät zerstört zudem Hydrazin, eine hochgiftige Chemikalie, die in manchen Industrieabwässern vorkommt. Somit vereint es die Produktion sauberer Kraftstoffe und die Beseitigung von Umweltverschmutzung in einem Schritt.
Die Forscher veröffentlichten ihre Arbeit in Nature Communications . Das Team wurde von Professorin Lydia H. Wong von der Fakultät für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik der NTU geleitet.
Warum Meerwasser hart ist
Die meisten Elektrolyseure spalten frisches, gereinigtes Wasser. Meerwasser ist zwar weitaus häufiger vorhanden, doch sein Salzgehalt bereitet Probleme. Beim Durchfließen von elektrischem Strom neigen Chloridionen dazu, korrosive und giftige Chlorverbindungen zu bilden.
Diese Verbindungen greifen die Elektroden an und verursachen zusätzliche Abfallprobleme. Daher ist für die Wasserstoffgewinnung aus Meerwasser in der Regel eine aufwendige Entsalzung oder der Einsatz korrosionsbeständiger Elektroden erforderlich.
Die Süßwasserversorgung ist bereits jetzt ein Problem für geplante Wasserstoffzentren in trockenen Küstenregionen, darunter Teile Australiens, des Nahen Ostens und Nordafrikas. Die direkte Nutzung von Meerwasser würde diesen Druck verringern. Sie käme auch Inselstaaten wie Singapur entgegen, die zwar eine nationale Wasserstoffstrategie verfolgen, aber nur über begrenzte Süßwasserressourcen verfügen.
Das Design der NTU umgeht viele dieser Probleme. Das Team stattete die Anode mit einem Katalysator aus, der Hydrazin in Wasserstoff und Stickstoff spaltet. Gleichzeitig unterdrückt die Reaktion die Bildung von Chlorverbindungen.
Eine Perowskit-Kathode
Auf der anderen Seite des Bauelements fertigten die Forscher die Kathode aus Bleihalogenid-Perowskiten. Diese kristallinen Materialien absorbieren Licht gut und wandeln es kostengünstig in Strom um. Sie haben im letzten Jahrzehnt großes Interesse in der Solarforschung geweckt. Hersteller können sie zudem bei niedrigen Temperaturen aus Lösungen verarbeiten, was die Kosten niedrig hält.
Die Perowskit-Photokathode erreichte hier eine Photostromdichte von 25 Milliampere pro Quadratzentimeter. Die Photostromdichte gibt an, wie viel Strom das Bauelement pro beleuchteter Fläche erzeugt. Laut dem Forschungsteam zählt dieser Wert zu den höchsten, die bisher für bleibasierte Perowskit-Kathoden gemessen wurden.
Das Gerät lieferte auch unter Lichteinwirkung, die der vollen Sonneneinstrahlung an einem klaren Tag entsprach, über 72 Stunden lang eine stabile Leistung. Gleichzeitig produzierte es Wasserstoff in einer mit ähnlichen solarbetriebenen Geräten vergleichbaren Menge.
Wasser reinigen, während es funktioniert
Da das Blatt ohne externe Spannung funktioniert, ist es autark. Vereinfacht gesagt: Sonnenlicht allein treibt beide Reaktionen an, ohne dass Strom aus dem Netz oder einer Batterie benötigt wird. In Tests baute es Hydrazin innerhalb von etwa 30 Stunden auf unter ein Milliardstel ab. Das Gerät entfernte somit nahezu den gesamten Schadstoff aus der Testlösung.
Hydrazin findet in industriellen Prozessen, unter anderem in der chemischen Produktion, und als Raketentreibstoff Verwendung. Da es für Menschen und Wasserorganismen giftig ist, muss hydrazinhaltiges Abwasser sorgfältig behandelt werden. Ein Gerät, das Hydrazin bei der Treibstoffherstellung entfernt, könnte die Entsorgungskosten in eine kleine Wertquelle verwandeln.
Die Forscher hinter der Innovation. Von links: Dr. Stener Lie, Dr. Anupam Sadhu, Prof. Lydia H. Wong und Dr. Hao Zhe Chun von der School of Materials Science and Engineering der NTU. Bildnachweis: NTU Singapur
Hürden vor der Skalierung
Die Ergebnisse stammen aus Laborversuchen, und einige wichtige Fragen bleiben offen. Perowskite weisen eine bekannte Schwäche auf: Sie zersetzen sich bei Einwirkung von Feuchtigkeit, Wärme und längerer Lichteinwirkung. Drei Tage stabiler Betrieb sind für diese Materialklasse ein beachtliches Ergebnis, obwohl kommerzielle Systeme jahrelang laufen müssen.
Die Verwendung von Blei wirft auch Fragen für alle Geräte auf, die für den Einsatz in Wasser konzipiert sind. Ingenieure müssten nachweisen, dass das Material über lange Zeiträume dicht bleibt. Darüber hinaus verringert die Skalierung kleiner Laborzellen auf große Paneele üblicherweise die Effizienz.
Die Arbeit erweitert das Spektrum der Ansätze zur direkten solaren Wasserstoffproduktion, darunter auch geschichtete Solarmaterialien, die die Wasserspaltung beschleunigen . Für Industriestandorte an der Küste stellt die Wasserstoffgewinnung aus Meerwasser bei gleichzeitiger Abwasserreinigung eine attraktive Kombination dar. Im nächsten Schritt muss die Praxistauglichkeit des Konzepts außerhalb des Labors nachgewiesen werden.
