Eisenoxid-Wolframoxid-Elektroden
Photoelektrochemisches »Mottenauge« erzielt hohe Energieausbeute
Die direkte Erzeugung von Wasserstoff aus Sonnenlicht mittels photo-elektrochemischer Prozesse bietet Effizienzvorteile gegenüber der separaten Erzeugung von Regenerativstrom und einer nachgelagerten Wasserelektrolyse. Schweizer Forscher haben jetzt durch die Emulation der Struktur von Mottenaugen sehr gute Ergebnisse erzielt.
Bei der Erzeugung speicherfähiger erneuerbarer Energieträger wie Wasserstoff bietet es sich an, den »Umweg« über die Stromerzeugung mittels Photovoltaik oder Windkraftanlagen fallen zu lassen. Effizienter wäre es, wenn Wasserstoff direkt durch Photoelektroden aus Licht und Wasser synthetisiert wird. Photoelektroden aus Eisenoxid, also Rost, fangen Licht auf und spalten umgebendes Wasser direkt in Sauerstoff und Wasserstoff. Eisenoxid ist konkurrenzlos preiswert, absorbiert den richtigen Wellenlängenbereich, leitet jedoch Strom relativ schlecht. Damit die Wasserspaltung erfolgt, muss es deshalb in Form sehr dünner Filme eingesetzt werden, die nur sehr wenig Sonnenlicht absorbiert.
An den Aufbau des Mottenauges angelehnte Mikrostrukturen können hier den Durchbruch bringen. Florent Boudoire und Artur Braun von der Schweizer Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt haben das Problem der mangelnden Lichtabsorption gelöst, indem sie die Oberflächenstruktur der Photoelektrode an die Mikrostruktur von Mottenaugen angelehnt haben. Sie sind genau auf die Wellenlänge des Lichts hin angepasst und reflektieren, damit die Motten nicht entdeckt und gefressen werden, das Licht nur minimal.
Die Forscher trugen auf einer Elektrode winzige Partikel aus Wolframoxid auf, die wiederum von einer nano-skaligen Schicht Eisenoxid überzogen wurden. Einfallendes Licht wird durch die Struktur mehrfach hin und her reflektiert, quasi »gefangen«, sodass das Licht vollständig absorbiert wird und für die Wasser-Aufspaltung zur Verfügung steht. Die »künstlichen Mottenaugenstrukturen« erzeugten die Schweizer in einem Ofen. Auf einer Glasscheibe trugen sie eine Suspension aus Kunststoffpartikeln auf, die das Glas wie eine Schicht dicht aneinander liegender Kugeln bedeckte. In ihrem Inneren enthielten sie je ein Tröpfchen Wolframsalzlösung. In einem Ofen wurde der Kunststoff verbrannt, sodass nur aus der Wolframsalzlösung entstandene Wolframoxidkügelchen übrig blieben. Anschließend wurde die Probe mit Eisensalz überzogen und erneut im Ofen erhitzt.
Die guten Licht-Absorptionseigenschaften des Materials konnten die Forscher am Computer in Modellrechnungen bestätigen. Je kleiner die Kügelchen sind, desto mehr Licht wird vom Eisenoxid eingefangen. Demnächst wollen die Schweizer Forscher der Frage nach dem optimalen Oberflächendesign weiter nachgehen, konkret, wie sich die Licht-Absorptionsraten bei mehreren übereinander liegenden Kugelschichten verändern.
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