Photokatalyse effizienter gestalten Mit Sonnenkraft zum grünen Wasserstoff

Das Projekt SINATRA: SolSTEP – Zwei-Schritt-Photokatalysatoren für die integrierte Produktion von solaren Energieträgern – wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderung von Nachwuchs-Forschungsgruppen zu den Themen künstliche Photosynthese und Nutzung alternativer Rohstoffe (SINATRA) mit 2,8 Millionen Euro für die Dauer von sechs Jahren gefördert. Der Fokus des Anfang 2024 gestarteten Projekts liegt auf der Wasserstoffgewinnung mittels Photokatalyse.

Gesucht werden effiziente und ressourcenschonende Katalysatoren

Das Prinzip der Photokatalyse ist relativ simpel: Wasser wird mit Katalysatoren gemischt, die es mit Hilfe des Sonnenlichts aufspalten in Wasserstoff und Sauerstoff. Das funktioniert bereits, erste Versuchsanlagen seien in Japan errichtet worden, sagt Jacob Schneidewind. Doch der Haken dabei: Während Photovoltaik-Anlagen auf Siliziumbasis einen Effizienzgrad von über 20 Prozent für die Produktion von Strom erreichen, sind es bei der Photokatalyse für die Produktion von Wasserstoff gerade mal zwei Prozent. „Wir suchen also nach Katalysatoren, mit denen sich die Effizienz erhöhen lässt“, sagt der 27-jährige Chemiker. Diese Katalysatoren sollten zudem nachhaltig und ressourcenschonend sein.

Aktuell wird in der Gruppe von Jacob Schneidewind an Kohlenstoffnitridmaterialien und konjugierten Polymeren geforscht. Beide Stoffe liegen als Pulver vor und bestehen lediglich aus Kohlenstoff sowie Stickstoff. Der Schlüssel für eine höhere Effizienz könnte in der Struktur der Materialien liegen sowie in ihrer Stabilität über die Zeit. Jacob Schneidewind sagt, nach einer gewissen Zeit lasse die Wirkung der Katalysatoren nach, sie müssten reaktiviert werden. Deshalb sei eine Idee, ein Kreislaufsystem zu etablieren, in dem die nachlassenden Katalysatoren durch eine Wiederherstellung ihrer Struktur stetig reaktiviert werden.

Sonnenreiche Länder wären als Produktionsstandorte geeignet

Als Vorbild für die Idee der Arbeitsgruppe nennt Schneidewind die Natur. Es gehe darum, ein System zu ersinnen, das ähnlich wie die Photosynthese der Pflanzen funktioniert. Denkbar sei es, das System so zu designen, dass der Prozess in zwei Schritten verläuft: Schritt 1 aktiviert das System und in Schritt 2 wird Wasserstoff produziert. „Wir werden experimentell erproben, ob das tatsächlich funktionieren kann“, so Jacob Schneidewind. Am Ende der sechsjährigen Projektdauer solle ein funktionsfähiger Prototyp stehen.

Vorstellbar seien Folienkissen, vergleichbar der Luftpolsterfolie, die von der Katalysator-Wasser-Mischung durchströmt werden. Aufgestellt in sonnenreicher Umgebung, würden sich darin Wasserstoff und Sauerstoff sammeln. Die beiden Gase müssten im nächsten Schritt noch separiert werden, durch spezielle Filter oder Aktivkohle. Als Rohstoff für die Katalysatoren könnte Harnstoff dienen. Dieser wird in riesigen Mengen in der Landwirtschaft genutzt und steht kostengünstig zur Verfügung. Die neuartigen Sonnenkraftwerke würden am effektivsten in Ländern arbeiten, die deutlich sonnenreicher als Deutschland sind, sagt Jacob Schneidewind. Denkbar seien Regionen in Nordafrika oder der Nahe Osten. Aber das ist derzeit noch Zukunftsmusik.