Solare Wasserstoffproduktion bald mit stabilen Photoelektroden?

Um Sonnenenergie zur Herstellung von Wasserstoff zu nutzen, kann man mit Photoelektroden Wasser elektrolytisch spalten. Leider lässt die Korrosionsfestigkeit der Elektrodenmaterialien bislang noch zu wünschen übrig.

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Wasserstoff gilt als äußerst vielseitiger Brennstoff, der zu einer wichtigen Säule unserer künftigen Energieinfrastruktur werden soll. So lässt er sich etwa mit Hilfe einer Brennstoffzelle effizient in Elektrizität umwandeln oder er treibt direkt einen Verbrennungsmotor an. Dabei ist die Verbrennung von Wasserstoff sauber; einziges Reaktionsprodukt bei der Oxidation ist pures Wasser. Darüber hinaus zählen Roel van de Krol, Delft University of Technology, und Michael Grätzel, École Polytechnique Fédérale in Lausanne, in ihrem Vorwort zu "Photoelectrochemical Hydrogen Production" zu den Vorzügen von Wasserstoff, dass er sich unter Verwendung von überschüssigem CO₂ und der etablierten Fischer-Tropsch-Technologie obendrein in eine bequemere Form von Brennstoff, einen flüssigen Kohlenwasserstoff, umwandeln lasse.  

Allerdings kommt Wasserstoff nicht frei in der Natur vor: "Die globale H2-Produktion nutzt Erdgas (40 %), Kohle (18 %) und Wasserelektrolyse (4 %)" heißt es bei Peter Kurzweil in "Chemie" (Seite 316). Eigentlich ist die Wasserelektrolyse der ideale Weg zur Erzeugung von reinem Wasserstoff, zumal dann, wenn sie grünen Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Photovoltaik und Windturbinen nutzt. Ein eleganter Weg der Wasserstoffproduktion könnte künftig mit Photoelektroden beschritten werden, die die Funktion von Solarzelle und Elektrolyseur in einem Halbleitermaterial kombinieren. Das Ziel dieser Entwicklungslinie ist die Herstellung einer monolithischen Photoelektrode, die Wasserstoff und Sauerstoff an gegenüberliegenden Seiten der Elektrode entwickelt, so dass diese leicht voneinander getrennt werden können. Roel van de Krol und Michael Grätzel (Erfinder der Grätzel-Zelle, 1991) fassen in dem von ihnen gemeinsam herausgegebenen Band sowohl die Grundprinzipien als auch einige wichtige Entwicklungen dieser photoelektrochemischen Wasserspaltung zusammen. Aber, halten sie fest, "es ist alles andere als trivial, Halbleiter zu finden, die dies effizient, kostengünstig und korrosionsfrei bewerkstelligen können."

Der Materialwissenschaftler Roel van de Krol, inzwischen Professor am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), Institut Solare Brennstoffe, berichtet jetzt zusammen mit Forschern des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung (MPIE), der Universität Freiburg und des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien in der Zeitschrift "ACS Applied Energy Materials" über Fortschritte: Dem Team gelang es, die Korrosionsprozesse von BiVO₄-Photoelektroden "in operando" zu untersuchen, also während der elektrolytischen Wasserspaltung und während der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER). 

Korrosion während der Elektrolyse

Konventionelle Halbleiter korrodieren in Wasser sehr schnell. Metalloxid-Dünnschichten sind stabiler, korrodieren aber dennoch mit der Zeit, berichten die Wissenschaftler; eines der vielversprechendsten Photoanodenmaterialien sei Wismutvanadat (BiVO₄), ein komplexes Metalloxid. Die größte Herausforderung für eine kommerziell nutzbare photoelectrochemische Wasserspaltung (PEC) bestehe nun darin, die Stabilität von Photoelektrodenmaterialien während ihres PEC-Betriebs zu bewerten und zu verbessern. "Bisher konnten wir nur Photoelektroden vor und nach photoelektrochemischer Korrosion untersuchen", sagt Ibbi Ahmet vom HZB, der die Studie zusammen mit Siyuan Zhang vom MPIE initiiert hat. Das sei ein bisschen so, als würde man nur das erste und das letzte Kapitel eines Buches lesen und somit nur raten könne, was zwischendurch passiere. "Deshalb haben wir eine beleuchtete Durchflusszelle mit Abtastung entworfen, um zum ersten Mal den Abbau des Materials in operando analysieren zu können", sagt Siyuan Zhang, Erstautor der Veröffentlichung.

Erste "operando"-Stabilitätsstudie

Im Ergebnis liegt nun erstmals eine operando-Stabilitätsstudie von hochreinen BiVO₄-Photoanoden während der photoelektrochemischen Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) vor. Mit Hilfe der In-situ-Plasma-Massenspektrometrie (ICPMS) konnte das Forscherteam in Echtzeit bestimmen, welche Elemente während der photoelektrochemischen Reaktion von der Oberfläche der BiVO₄-Photoanoden gelöst wurden. Das MPIE hat über viele Jahre hinweg Erfahrungen und Knowhow in der Entwicklung von scannenden Durchflusszellen (SFC) ansammeln können. "Unsere neueste Innovation, die beleuchtete SFC, kombiniert die SFC mit einem Sonnensimulator, was eine ganz neue Dimension zur Untersuchung lichtinduzierter Korrosionsphänomene, der so genannten Photokorrosion, eröffnet", fasst Christina Scheu zusammen, die am MPIE die unabhängige Forschungsgruppe "Nanoanalytik und Grenzflächen" leitet.