Sonnenreaktor-Demonstration in Berlin: Arne Thomas (li.) und Reinhard Schomäcker, beide Projektpartner an der TU Berlin, zeigen den Rostocker Projektpartnern ihren L2H-Large-Scale-Demonstrator. Quelle: TU Berlin / A. Hollmann
Wasserstoff gilt als wichtiger Energieträger der Zukunft, da er einerseits eine hohe Energiedichte aufweist und andererseits als Energiequelle umweltfreundlich ist. Die photokatalytische Wasserspaltung - die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mittels Sonnenlicht - gehört daher zu den technologisch wichtigen Alternativen zur energieaufwendigen elektrolytischen Wasserspaltung.
Forschern der TU Berlin ist es gelungen, einen Fotoreaktor in einer Größe von einem Quadratmeter großen Sonnenbestrahlungsfläche seinesgleichen in diesem Bereich sucht, und stellten damit eine Hoffnung erweckende große Menge Wasserstoff her. Das Forscherteam um Reinhard Schomäcker hat den Reaktor mit Kohlenstoffnitriden gebaut. Die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse unter Verwendung von Wind- oder Solarstrom ist bereits erprobt. Doch viel direkter ist der Weg der photokatalytischen Spaltung von Wasser.
Der Vorteil der Photokatalyse gegenüber anderen Techniken wie der Elektrolyse besteht darin, dass Ladungstrennung und Spaltung des Wassers von einem Material an der gleichen Grenzfläche durchgeführt werden kann, wodurch Übertragungsverluste minimiert werden können und Material gespart werden kann. Seit der Entdeckung der photokatalytischen Wasserspaltung am Halbleiter TiO2 im Jahre 1972 durch Akira Fujishima und Kenichi Honda, versucht sich eine Vielzahl an Wissenschaftlern an der Weiterentwicklung geeigneter Materialien
In dem Verbundprojekt Light2Hydrogen, kurz L2H, wurde genau daran geforscht. 16 Forschergruppen von sieben Einrichtungen in Berlin-Brandenburg und Mecklenburg-Vorpommern beteiligt sich daran. Das Bundesforschungsministerium hat das Projekt für fünf Jahre mit insgesamt zehn Millionen Euro gefördert. Es endete zum 31. Oktober 2014. Die Wissenschaftler an der TU Berlin hatten im Rahmen des Projekts den Auftrag, die Verwendung von modifizierten Kohlenstoffnitriden als Photokatalysatoren zu untersuchen. Diese besonderen Kohlenstoffnitride werden in der Arbeitsgruppe von Arne Thomas hergestellt.
Viele Laborversuche - wenig echtes Sonnenlicht
Während die photokatalytischen Eigenschaften des Materials zur Wasserstoffproduktion bisher meist unter Laborbedingungen mit künstlichen Lichtquellen erfolgten, wurde unter Reinhard Schomäcker ein Fotoreaktor gebaut, der mit einer Bestrahlungsfläche von circa einem Quadratmeter Neuland betrat. So können künftig neue Materialien unter realen Bedingungen getestet werden. Erste Versuche im Sonnenlicht mit den Kohlenstoffnitriden zeigten positive Ergebnisse: Über einen Zeitraum von einem Monat konnte eine Wasserstoffmenge von circa 15 bis 20 Litern erzeugt werden. „Wir konnten mit unserem Demoreaktor zeigen, dass die Wasserstoffherstellung mit Sonnenlicht funktioniert und bei entsprechend großer Bestrahlungsfläche auch weniger aktive Katalysatoren bereits eine größere Menge Wasserstoff produzieren können“, sagt Schomäcker. Es freue ihn am meisten, dass es dem Team gelungen sei, das Ergebnis genau vorherzusagen. „Unsere Laboruntersuchungen hatten gezeigt, dass wir am Tag je nach Sonnenkraft pro Stunde bis zu 300 Milliliter Wasserstoff gewinnen würden. Genau das hat unser Photoreaktor gemacht.“ Er erwartet, dass sich die Menge künftig durch Verbesserung der Katalysatoren steigern lässt.
Jugend forscht
Kohlenstoffnitride rücken immer mehr ins Visier der Forschung, wenn es um Sonnenenergie geht. Beim diesjährigen Jugend-forscht-Bundeswettbewerb qualifizierte sich etwa der 18-Jähriger im Fach Chemie mit einer Art Vlies, mit dem sich aus Sonnenlicht Energie gewinnen lässt. Dafur nutzte er Kohlenstoffnitrid, das sich an den winzigen Fasern des Vlieses fein verteilt. Unter starker Beleuchtung spaltet das Kohlenstoffnitrid auch hier aus Wasser den Energieträger Wasserstoff ab.
(Nicole Weinhold)
