Grünen Wasserstoff effizient aus Tandemzellen gewinnen
Grüner Wasserstoff kann stromnetzunabhängig durch die Spaltung von Wasser mittels Sonnenlichts in einer photoelektrochemischen (PEC) Zelle erzeugt werden. Die funktionalen Bauteile der PEC Zelle setzen sich im Wesentlichen aus den Photoabsorbern und Elektrokatalysatoren zusammen. Da die Tandemzelle unterschiedlich stark die verschiedenen Wellenlängen des sichtbaren Bereichs des Lichts absorbiert, soll dieser Effekt zur Steigerung der Licht-zu-Wasserstoff-Umwandlungseffizienz genutzt werden. Das Vorhaben „TWOB – Tandemzellbasierte photoelektrochemische Wasserstoffproduktion mit neuartigen Hochentropie-Elektrokatalysatoren und Oxynitrid-Photoabsorbern“ setzt sich zum Ziel, über neuartige Synthesekonzepte nanostrukturierte Katalysatoren und Absorber herzustellen, die auf ressourceneffizienten Materialien beruhen. Der Forschungsschwerpunkt liegt insbesondere auf der Verbesserung der Lichtabsorption und Ladungstrennung, sowie der Kopplung mit den Katalysatoren. Durch die synthetische Optimierung der Materialien soll den Anforderungen nach Effizienzsteigerung und Langlebigkeit nachgekommen und der Technologisierungsgrad von Tandemzellen vorangetrieben werden.
Direkte Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoff ohne zusätzlichen Strom
Der wesentliche Vorteil von PEC-Tandemzellen gegenüber auf Elektrolyseuren oder Photovoltaik-basierter Wasserstoffproduktionstechnologien ist die direkte Umwandlung von Sonnenenergie in H2, wodurch kein zusätzlicher externer Strom benötigt wird und eine Kostenersparnis aufgrund der geringeren Komplexität in der Kombination der Bauteile vorliegt. Im ersten Arbeitspaket werden nanoporöse Elektrokatalysatoren über das kostengünstige Verfahren der Tauchbeschichtung und unter Verwendung von speziellen Polymeren hergestellt. Auf Basis von Dichtefunktionalberechnungen werden dann die thermodynamische Stabilität von komplexen Materialien prognostiziert und bisher unbekannte multimetallische Oxide im Labor synthetisiert. In einem weiteren Arbeitspaket sollen über einen multikonzeptionellen Ansatz durch Nanostrukturierung kurze Ladungstransferwege geschaffen, mittels Dotierung die elektrische Leitfähigkeit verbessert, durch Ausbildung von Heterokontakten eine effiziente räumliche Trennung von Ladungsträgern ermöglicht und mit Hilfe der Atomlagenabscheidung ein Schutz vor direktem Kontakt mit Wasser geschaffen werden. Die Photospannungen der Photoelektroden soll in Zusammenarbeit mit der University of California, Davis (USA) mittels Photospannungsspektroskopie ermittelt werden. Ziel ist es, eine Aussage zu den optimalen Materialeigenschaften zu treffen und die Bauteile im Labor als Tandemzelle zu testen.
Eigenschaftsoptimierung der Komponenten für Effizienzerhöhung
Innerhalb der sechsjährigen Förderperiode werden insgesamt drei Doktorand:innen, ein PostDoc und eine Technikerin auf dem Forschungsgebiet der Künstlichen Photosynthese arbeiten. Je ein:e Promovierende:r befasst sich mit der Herstellung und Charakterisierung der Elektrokatalysatoren, der Photokathoden und Photoanoden. Der PostDoc wird die theoretischen Berechnungen zur Stabilität der zu synthetisierenden Verbindungen durchführen und engmaschig mit den Promovierenden zusammenarbeiten. Ein Schwerpunkt des Projektes ist das Erstellen von Struktureigenschaftsbeziehungen, die den Grundstein für Eigenschaftsoptimierungen legen. Dabei ist das Ziel, hocheffiziente Elektrokatalysatoren mit Rekordüberspannungen von weniger als 200 mV (bei 10 mA/cm2) zu erzeugen. In die geplanten Experimente werden mehrere Arbeitsgruppen aus der TU Darmstadt (Prof.in Weidenkaff), der Justus-Liebig-Universität Gießen und TU Berlin (Prof.in Hess), als auch internationale US-Kooperationspartner (Prof. Osterloh) involviert sein. Die im Projekt gewonnenen Ergebnisse sollen frei zugänglich in Fachzeitschriften und auf Konferenzen veröffentlicht werden und somit auch für andere Arbeitsgruppen weltweit von Nutzen sein.
