Saubere Energie aus Wasser und Sonnenlicht
Strom durch künstliche Photosynthese
Saubere und erneuerbare Energiequellen zu entwickeln, ist eine der grossen Herausforderungen unserer Zivilisation. Die künstliche Photosynthese scheint dabei einer der erfolgversprechendsten Ansätze zu sein. Dabei wird Wasser photoelektrochemisch, d.h. mithilfe von Sonnenlicht, in seine Bestandteile H₂ und O₂ aufgetrennt und gespeichert. Bei der späteren Vereinigung der chemischen Elemente entsteht elektrischer Strom. Die Empa-Forscher Rita Toth und Artur Braun arbeiten gemeinsam mit den Basler Chemikern Catherine Housecroft und Edwin Constable an der Realisierung dieser Methode.
Die nachhaltige Brennstoffzelle
Die Spaltung von Wasser (H₂O) besteht aus zwei Teilreaktionen, die mithilfe von unterschiedlichen Katalysatoren umgesetzt werden: die Wasseroxidation (dabei entsteht O₂) und die Wasserreduktion (dabei entsteht H₂), wobei die erste die anspruchsvollere der beiden Reaktionen ist. Die Forschung widmet sich deshalb intensiv der Entwicklung von effizienten und nachhaltigen Wasseroxidationskatalysatoren.
Ein wichtiger Faktor in der Realisierung der photoelektrochemischen Brennstoffzelle ist die präzise Anordnung der einzelnen Bestandteile. «Tut man das nicht, ist es, als würde man alle Einzelteile einer Uhr in einen Sack werfen, schütteln und dann darauf hoffen, die Zeit ablesen zu können», erklärt Prof. Edwin Constable von der Universität Basel.
Um die perfekte Anordnung der Katalysatoren zu eruieren, hat das Team ein Modell zur Wasseroxidation entwickelt, welches zwar mit Strom betrieben wird, aber die gleichen chemischen Zwischenzustände wie Licht generiert. Dabei verwendeten sie das chemische Element Ruthenium als Katalysator. Den Forschern ist es also gelungen, eine durch Lichtstrahlung betriebene Brennstoffzelle zu simulieren. Mithilfe dieses Modells konnten sie dann die Position und Effizienz der einzelnen Bestandteile testen.
Literatur
A self-assembled, multicomponent water oxidation device, R Toth, RM Walliser, NS Murray, DK Bora, A Braun, G Fortunato, CE Housecroft, EC Constable,
Chemical Communications (2016),
doi: 10.1039/c5cc09556e (pdf)
Pressemitteilung der Universität Basel
Informationen
Dr. Rita Toth
Empa
High Performance Ceramics
Tel. +41 58 765 43 66
Dr. Artur Braun
Empa
High Performance Ceramics
Tel +41 58 765 48 50
Prof. Dr. Edwin C. Constable
Universität Basel
Departement Chemie
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