Erfolgsquote 100 Prozent: Drittmittel für Projekte zu Solaren Brennstoffen
Am HZB-Institut für Solare Brennstoffe werden auch nanostrukturierte Metalloxide auf ihre Eignung als effiziente und preiswerte Katalysatoren für die künstliche Photosynthese untersucht. © HZB
Die flüchtige Energie der Sonne umzuwandeln und zu speichern, zählt zu den großen Herausforderungen der Energiewende. Über eine „künstliche Photosynthese“ kann Solarenergie zur Erzeugung von Wasserstoff genutzt werden. Forscherteams am HZB-Institut für Solare Brennstoffe arbeiten an neuen anorganischen Materialsystemen, um kompakte, robuste und preiswerte Lösungen für diese künstliche Photosynthese zu entwickeln. Gemeinsam mit Partnern aus Universitäten haben sie vier Forschungsvorhaben bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG im Schwerpunktprogramm „Regenerativ produzierte Brennstoffe durch lichtinduzierte Wasserspaltung“ (SPP 1613) eingereicht. Alle vier Projekte werden nun durch die DFG gefördert.
„Insgesamt konnte nur die Hälfte der eingereichten Forschungsvorhaben bewilligt werden, in diesem harten Wettbewerb ist eine Erfolgsquote von 100 Prozent wirklich bemerkenswert”, sagt Professor Roel van de Krol, der das HZB-Institut für Solare Brennstoffe leitet. „Das bedeutet für uns, dass wir die Aktivitäten unseres Instituts weiter verstärken und ausbauen können.“ Für die ersten drei Projekte hat die DFG die Weiterführung für die nächsten drei Jahre bewilligt, das vierte Projekt ist ein neues Forschungsvorhaben.
Am HZB-Institut für Solare Brennstoffe arbeiten die Forschungsgruppen daran, monolithische Materialsysteme zu entwickeln, bei denen halbleitende Absorber und Katalysatoren in einer Struktur integriert sind. Dabei untersuchen und optimieren sie die photonischen Anregungen, die Sonnenlicht in den Halbleiterstrukturen auslöst, genauso wie die Prozesse an den Katalysatorschichten, an denen sich Wasserstoffgas bildet.
Die Vision ist es, die Energie des Sonnenlichts in Form von chemischer Energie zu speichern, durch die Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. Wasserstoff besitzt eine hohe gravimetrische Energiedichte, lässt sich gut speichern und kann bei Bedarf direkt in Brennstoffzellen Strom erzeugen oder auch als Ausgangsmaterial für die Herstellung künstlicher Kohlenwasserstoff-Brennstoffe genutzt werden.
Die Forschungsvorhaben im Einzelnen:
- Development of catalysts, namely manganese oxides and molybdenum sulphides, for an implementation in a light-driven water-splitting device using a multi-junction solar cell. Partner: Prof. H. Dau (PI, FU-Berlin), Prof. P. Kurz (University Freiburg i. Br.), Prof. S. Fiechter (HZB).
- High-throughput characterization of multinary transition metal oxide and oxynitride libraries. New materials for solar water splitting with improved properties. Partner: Prof. Wolfgang Schuhmann (PI, Ruhr University Bochum), Prof. Alfred Ludwig (Ruhr University Bochum), Prof. S. Fiechter (HZB).
- Novel thin film composites and co-catalysts for visible light-induced water splitting. Partner: M. Behrens (Uni Duisburg), A. Fischer (Uni Freiburg), M. Lerch (TU Berlin), T. Schedel-Niedrig (HZB).
- Development of optimum bandgap photoanodes for tandem water-splitting cells based on doped complex metal oxides and III-V semiconductors coupled to water oxidation electrocatalysts. Partner: R. Beranek (PI, Ruhr University Bochum), A. Devi (Ruhr University Bochum), R. Eichberger (HZB).
- Zwei Humboldt-Fellows am HZBZwei junge Wissenschaftler sind zurzeit als Humboldt-Postdoktoranden am HZB tätig. Kazuki Morita bringt seine Expertise in Modellierung und Datenanalyse in die Solarenergieforschung im Team von Prof. Antonio Abate ein. Qingping Wu ist Experte für Batterieforschung und arbeitet mit Prof. Yan Lu zusammen an Lithium-Metall-Batterien mit hoher Energiedichte.
- Weniger ist mehr: Warum ein sparsamer Iridium-Katalysator so gut funktioniertFür die Produktion von Wasserstoff mit Elektrolyse werden Iridiumbasierte Katalysatoren benötigt. Nun zeigt ein Team am HZB und an der Lichtquelle ALBA, dass die neu entwickelten P2X-Katalysatoren, die mit nur einem Viertel des Iridiums auskommen, ebenso effizient und langzeitstabil sind wie die besten kommerziellen Katalysatoren. Messungen an BESSY II haben nun ans Licht gebracht, wie die besondere chemische Umgebung im P2X-Kat während der Elektrolyse die Wasserspaltung befördert.
- Batterieforschung mit dem HZB-RöntgenmikroskopUm die Kapazität von Lithiumbatterien weiter zu steigern, werden neue Kathodenmaterialien entwickelt. Mehrschichtige lithiumreiche Übergangsmetalloxide (LRTMO) ermöglichen eine besonders hohe Energiedichte. Mit jedem Ladezyklus wird jedoch ihre Kapazität geringer, was mit strukturellen und chemischen Veränderungen zusammenhängt. Mit Röntgenuntersuchungen an BESSY II hat nun ein Team aus chinesischen Forschungseinrichtungen diese Veränderungen erstmals experimentell mit höchster Präzision vermessen: Mit dem einzigartigen Röntgenmikroskop konnten sie morphologische und strukturelle Entwicklungen auf der Nanometerskala beobachten und dabei auch chemische Veränderungen aufklären.