Saubere Energie aus Brennstoffzellen

Fahrzeugtauglicher 100-kW-Brennstoffzellen-Stack im Teststand im Ulmer Brennstoffzellen-Testzentrum. (Bild: ZSW / Bosa)

Fahrzeugtauglicher 100-kW-Brennstoffzellen-Stack im Teststand des Ulmer Brennstoffzellen-Testzentrums. (Bild: ZSW / Bosa)

Brennstoff­zellen erzeugen elektrischen Strom aus der chemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Um saubere Energie zu erhalten, ist es entscheidend, mit welcher Methode Wasser vorher in seine Bestand­teile Wasserstoff und Sauerstoff aufgetrennt wird. Forscher der Universität Basel untersuchen, wie sich Sonnenlicht zu diesem Zweck einsetzen lässt.

Saubere und erneuerbare Energie­quellen zu entwickeln, ist eine der großen Heraus­forderungen unserer Zivilisation. Die künstliche Photosynthese scheint dabei einer der erfolg­versprechendsten Ansätze zu sein. Dabei wird Wasser photo­elektrochemisch mithilfe von Sonnenlicht in seine Bestand­teile Wasserstoff und Sauerstoff aufgetrennt und gespeichert. Bei der späteren Vereinigung der chemischen Elemente entsteht elektrischer Strom. Ein Team von Forschenden unter der Leitung der Basler Chemiker Catherine Housecroft und Edwin Constable arbeitet gemeinsam mit der Eid­genössischen Material­prüfungs- und Forschungs­anstalt an der Realisierung dieser Methode.

Die Spaltung von Wasser besteht aus zwei Teil­reaktionen, die mithilfe von unterschied­lichen Kataly­satoren umgesetzt werden: die Wasseroxidation – dabei entsteht Sauerstoff – und die Wasser­reduktion – dabei entsteht Wasserstoff-, wobei die erste die anspruchs­vollere der beiden Reaktionen ist. Die Forschung widmet sich deshalb intensiv der Entwicklung von effizienten und nachhaltigen Wasser­oxidations-Kataly­satoren. Ein wichtiger Faktor in der Realisierung der photo­elektrochemischen Brennstoffzelle ist die präzise Anordnung der einzelnen Bestand­teile. „Tut man das nicht, ist es, als würde man alle Einzelteile einer Uhr in einen Sack werfen, schütteln und dann darauf hoffen, die Zeit ablesen zu können“, erklärt Edwin Constable von der Universität Basel.

Um die perfekte Anordnung der Kataly­satoren zu eruieren, haben die Basler Chemiker in der aktuellen Studie ein Modell zur Wasser­oxidation entwickelt, welches zwar mit Strom betrieben wird, aber die gleichen chemischen Zwischen­zustände wie Licht generiert. Dabei verwendeten sie das chemische Element Ruthenium als Katalysator. Den Forschern ist es also gelungen, eine durch Licht­strahlung betriebene Brennstoff­zelle zu simulieren. Mithilfe dieses Modells konnten sie dann die Position und Effizienz der einzelnen Bestandteile testen. (Quelle: U. Basel)

Referenz: R. Toth et al.: A self-assembled, multicomponent water oxidation device, Chem. Comm. (2016); DOI: 10.1039/c5cc09556e

Links: Constable/Housecroft Forschungsgruppe, Universität BaselEidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA), Dübendorf, Schweiz

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