Solares „künstliches Blatt“ gewinnt Wasserstoff aus Meerwasser, baut Hydrazin ab
Forscher der Nanyang Technological University (NTU) in Singapur haben ein solarbetriebenes Gerät gebaut, das Wasserstoff aus Meerwasser erzeugt und gleichzeitig Hydrazin abbaut, einen hochgiftigen Schadstoff in industriellen Abwässern. Die Arbeit wird in der Fachzeitschrift Nature Communications ausführlich beschrieben.
Das Team nennt den Proof-of-Concept-Entwurf ein „künstliches Blatt“: Es vereint eine Miniatur-Solarzelle, einen Elektrolyseur und ein Abwasserbehandlungssystem in einem Gerät. Vorbild sind echte Blätter, die Sonnenlicht nutzen, um chemische Reaktionen anzutreiben.
Zwei Probleme mit einem Gerät gelöst
In Tests lief das Gerät über 72 Stunden stabil und erzeugte Wasserstoff mit einer Rate von 466 Mikromol pro Quadratzentimeter und Stunde. In einem separaten Experiment senkte eine größere Version die Hydrazinkonzentration in verunreinigtem Wasser in etwa 30 Stunden von 0,5 molar (rund 1,6 Gewichtsprozent) auf 0,5 Teile pro Milliarde. Das liegt mehr als 20-mal unter dem von den Forschern genannten Grenzwert der US-Umweltschutzbehörde von 10 Teilen pro Milliarde.
„Dieses Doppelfunktionsgerät ist ein großer Sprung nach vorn für die Umwelttechnik“, sagte Prof. Lydia Wong, eine der Forscherinnen. „Indem wir Sonnenenergie effizient nutzen, um einen giftigen Industrieschadstoff abzubauen und gleichzeitig sauberen Brennstoff zu gewinnen, lösen wir sowohl ein Energieproblem als auch ein Verschmutzungsproblem.“
So funktioniert die Chemie
Die Elektrolyse spaltet Wasser mithilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff: Wasserstoff entsteht an der negativen Elektrode (Kathode), Sauerstoff an der positiven (Anode). Der Sauerstoff wird oft einfach abgegeben, sodass viel Energie in ein „Abfallprodukt“ fließt. Meerwasser ist als Rohstoff attraktiv, weil es reichlich vorhanden ist, doch sein Chlorid korrodiert Elektroden und kann Reaktionen auslösen, bei denen giftige Chlorverbindungen entstehen.
Das NTU-Team ersetzte die Sauerstofferzeugung an der Anode durch den Abbau von Hydrazin. Ein spezieller Katalysator wandelt Hydrazin in Stickstoffgas um und erzeugt zusätzlich Wasserstoff. Der Abbau von Hydrazin benötigt deutlich weniger Energie als die Erzeugung von Sauerstoff, sodass die Wasserstoffausbeute an der Kathode energieeffizienter wird. Der Katalysator enthält Eisen, Kobalt und Chrom, was ihn korrosionsbeständig macht und hilft, giftige Chlorverbindungen zu unterdrücken.
Eine Perowskit-Kathode, die sich selbst mit Strom versorgt
Die Kathode besteht aus Blei-Halogenid-Perowskiten, Halbleitern, die Licht absorbieren und in Elektrizität umwandeln. Dadurch kann das Gerät ohne externe Stromversorgung arbeiten. Perowskite sind empfindlich gegenüber Feuchtigkeit und aggressiven Chemikalien, weshalb die Forscher sie mit einer Schicht aus leitfähigem Epoxidharz mit Silber- und Kupferpartikeln und einer Titanfolie schützten, die Wasser fernhält, aber Ladung durchlässt. Das Titan wurde mit einer dünnen Platinschicht überzogen, um die Wasserstofferzeugung zu unterstützen.
Testbedingungen und Ergebnisse
Das Gerät wurde in alkalische Lösungen aus simuliertem und echtem Meerwasser mit zugesetztem Hydrazin gesetzt, unter künstlichem Licht, das der Intensität des Sonnenlichts an einem klaren Tag entspricht. In beiden Fällen erzeugte es ohne externen Strom eine Photostromdichte von etwa 25 Milliampere pro Quadratzentimeter, eine der höchsten, die für bleibasierte Perowskit-Photokathoden berichtet wurden. Für den Hydrazintest vergrößerte das Team die Photokathode von 0,56 auf 6,25 Quadratzentimeter. Sie testeten das Blatt auch im Freien bei natürlichem Sonnenlicht und sahen Wasserstoff- und Stickstoffblasen entstehen, was zeigt, dass es auch außerhalb der Laborbeleuchtung funktionieren kann.
Die Ergebnisse stammen von einem Laborprototyp, nicht von einem kommerziellen System. Mehr dazu in unserem Technologie-Bereich.