07/03/2013 - Herstellung von Wasserstoff aus Wasser unter Verwendung von Sonnenlicht und Nanomaterialien

Menéame

Ein Konsortium aus Universitäten, Forschungszentren und europäischen Unternehmen, angeführt von IMDEA-Institut Materialien, um neue Hybrid-Nano-Skala-Materialien durch Kombination von Kohlenstoff (z.B. Grafen) und anorganischem (z. B. Titanoxid) zu produzieren, mit der Fähigkeit, Wassermoleküle mit Sonnenlicht zu trennen und Wasserstoff effizienter zu produzieren. In jüngsten Studien wurde festgestellt, dass diese Nanohybride bis zu 25 mal mehr photoaktiv herkömmlichen Materialien.

Das Projekt Europäischer CARINHYPH, finanziert durch das 7. Rahmenprogramm der Europäischen Union, eine Gruppe europäischer Forscher und Unternehmen zusammenbringt, die neue fotokatalytische Nanomaterialien zur effizienteren Herstellung von Wasserstoff durch Wassertrennung herstellen wollen. Wasserstoff ist eine der potenziellen Energiequellen der Zukunft: Er erzeugt nicht nur einen hohen Energiegehalt, sondern auch Wasser als Produkt der Verbrennungsreaktion anstelle von CO₂ wie bei Kohlenwasserstoffen. Eine der Herausforderungen in diesem Bereich ist die effiziente Wasserstofferzeugung, d. h. die Steigerung der Energiemenge im Vergleich zu der, die in die Wasserstoffgewinnung investiert wird. Innerhalb der vielversprechendsten Methoden findet man die Trennung von Wasser durch Photokatalyse, bei der ein Katalysator Sonnenlicht absorbiert und die Zersetzung des Moleküls in Wasserstoff und Sauerstoff durchführt, ähnlich der Photosynthese, die natürlich in den Pflanzen auftritt.

Bild: Nanokarbon-anorganische Hybrid-Schema zur Herstellung von Wasserstoff durch photokatalytische Wasserentkoppelung. Quelle (IMDEA Materialien)

Dieses Projekt zielt darauf ab, neue Materialien mit mehr photokatalytische Effizienz, Kombination von Nanokarbonen, Kohlenstoff-Nanoröhren und Grafen, mit photoaktiven anorganischen wie Metalloxiden, auch von der Nanogröße. Das Potenzial dieser neuen Nanohybriden besteht hauptsächlich aus drei Merkmalen:

• Die Nanometerdimensionen machen einen Oberfläche sehr groß und damit eine größere Menge an Oberfläche zur Verfügung, um Wasser zu entkoppeln.
• Nanokohlenstoff breitet das Spektrum vonLichtabsorption der Hybride und erweitert damit die Menge der Solarenergie, die für die photokatalytische Reaktion aufgenommen werden kann.
• Während der Entkopplungsreaktion wird die Lebensdauer der Ladung durch die Trennung des negativen Teils (das Elektron wird in den Nanokohlenstoff übertragen) vom positiven Teil (das Loch bleibt im anorganischen), so dass eine Rekombination vermieden wird und die photokatalytische Reaktion abgeschlossen werden kann.

Um diese drei Aspekte zu verwirklichen und einen effizienteren Hybriden zu erhalten, der auch auf industrieller Ebene auftreten und positive Auswirkungen auf die Gesellschaft haben kann, verfügt das Projekt über Mitglieder mit unterschiedlichen Profilen. Die Nanokarbone werden in der Firma Thomas Swan, Lieferant von CNTs und hochreinem Grafen, synthetisiert. Diese Materialien werden im Labor des Prof. Maurizio Prato del INSTM, um dann mit dem anorganischen integriert werden und bilden den Hybriden. Die Integration wird in IMDEA Materialien und Universitäten in Cambridge und Münster durchgeführt werden, unter Verwendung von Techniken wie Atom-Ablagerung von Schichten (ALD) und Infiltration von Gyride. Anschließend wird die Ladungsübertragung an der nananokohlenstoff-/anorganischen Schnittstelle unter Verwendung neuer Femto-Sekunden-Spektroskopietechniken an der Universität Erlangen bewertet und die Wasserstoffproduktion verschiedener Hybriden bewertet. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wird INAEL, eine spanische Pyre, einen Reaktor bauen, um die Leistung der neuen Nanohybriden auf einer halbindustriellen Skala zu demonstrieren. Als Abschluss des Projekts erstellen die Mitglieder des Konsortiums einen Fahrplan für die industrielle Nutzung dieser Materialien unter Berücksichtigung der vollständigen Lebenszyklusanalyse der von EMPA entwickelten Werkstoffe und Produktionsprozesse.

Das CARINHYPH-Projekt, das von Spanien vom IMDEA-Materialinstitut koordiniert wurde, begann im Januar 2013 und dauert 3 Jahre. Das Gesamtbudget des Projekts beläuft sich auf 3.8 Mio. EUR, von denen 75% von der Europäischen Kommission stammen. Weitere Informationen auf der Website  www.carinhyph.eu.

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IMDEA Material

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