Wasserstoff aus Luft: Kevin Sivula zeigt künstliches Blatt

Professor Kevin Sivula demonstriert, wie ein kleines Gerät der Luft Feuchtigkeit entzieht und Wasserstoff aus Luft erzeugt.

Nicht jede Forschungsarbeit erscheint so vielversprechend, wie das, was Professor Kevin Sivula mit seinem Team von der EPFL in Lausanne erforscht: Ein kleines Gerät, das der Luft bei Sonneneinstrahlung die Feuchtigkeit entzieht – und schließlich Wasserstoffgas abgibt. Inspiriert ist die Forschung daran, die erstmals im kleinsten Maßstab demonstriert wurde, von der natürlichen Photosynthese – weshalb das kleine Gerät auch als künstliches Blatt beschrieben wird. Entsteht eine ganz neue und einfache Möglichkeit, Treibstoffe auf Basis von Wasserstoff aus Luft herzustellen?

Die Wissenschaftler um Sivula haben für das „künstliche Blatt“ halbleiterbasierte Technologie mit neuartigen Elektroden kombiniert. Die wesentlichen Merkmale: Die Gasdiffusionselektroden sind porös, damit der Kontakt mit Wasser in der Luft maximiert werden kann. Und: Sie sind leitfähig und transparent, um die Sonnenlichtdurchlässigkeit der Halbleiterbeschichtung zu maximieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Elektroden, die aus Materialien bestehen, die für Sonnenlicht undurchlässig sind, bestehen transparente Elektroden aus 3D-Glasfasern.

Wird das Gerät also Sonnenlicht ausgesetzt, entzieht es der Luft Wasser und erzeugt Wasserstoffgas. Im Januar ist dazu in Advanced Materials (Peer Reviewed) ein Artikel erscheinen, der das Verfahren noch präziser beschreibt. Interesting Engineering hat die Studie gut zusammengefasst.

Während der Photosynthese verwenden Pflanzen CO₂ und Wasser aus ihrer Umgebung, und unter Sonnenlicht wandeln sie diese Chemikalien in Stärke und Zucker um, die ihre Nahrung sind.

Schneller Durchbruch für Wasserstoff aus Luft?

Ist jetzt mit einem schnellen Durchbruch für die Entwicklung aus Lausanne zu rechnen? Nein. Die Forschung steht am Beginn. Die Veröffentlichung durch die Hochschule soll Interesse an dem grundlegenden Ansatz wecken – und auch andere Forscher animieren, sich an der Weiterentwicklung der „photoelektrochemischen Gasphasenzellen“ zu beteiligen. Denn noch ist der Wirkungsgrad des künstlichen Blatts, das Sivula demonstrierte, bei lediglich einem Prozent.

Die nächsten Forschungsschritte sind unterdessen bereits vorgezeichnet. Einerseits soll das Gerät in Lausanne schrittweise leistungsstärker gemacht werden. Im Rahmen eines EU-Projekts „Sun-to-X“ sollen entscheidende Fragen geklärt werden: Was ist die ideale Fasergröße? Die ideale Porengröße? Die idealen Halbleiter- und Membranmaterialien?

Daneben werden neue Wege erforscht, um Wasserstoff in flüssige Kraftstoffe umzuwandeln. Um ein Gerät für jedermann daraus zu machen, sind laut Sivula noch mindestens zehn Jahre Arbeit erforderlich.

Marina Caretti, Hauptautorin der Arbeit, sagt: „Die Entwicklung unseres Prototyps war eine Herausforderung, da transparente Gasdiffusionselektroden bisher noch nicht demonstriert wurden und wir für jeden Schritt neue Verfahren entwickeln mussten. Da jedoch jeder Schritt relativ einfach ist und skalierbar, denke ich, dass unser Ansatz neue Horizonte für eine breite Palette von Anwendungen eröffnen wird, angefangen bei Gasdiffusionssubstraten für die solarbetriebene Wasserstoffproduktion.“

Frühere Ansätze, um Wasserstoff aus Luft unter Nachahmung der Photosynthese zu gewinnen, wurden mit Flüssigkeiten unternommen. Die Schweizer Forscher experimentierten auch hiermit. Doch sie stellten fest, dass der Aufbau der Gerätschaften sehr komplex und damit eine Skalierbarkeit unmöglich war. Bislang ist der flüssige Ansatz dem gasförmigen Ansatz aber noch überlegen: Basierend auf den verwendeten Materialien beträgt die maximale theoretische Solar-zu-Wasserstoff-Umwandlungseffizienz des beschichteten Wafers 12 Prozent, während bei Flüssigzellen eine Effizienz von bis zu 19 Prozent nachgewiesen werden konnte.