Was ist Wasserspaltung?
Bei der Wasserspaltung wird die chemische Verbindung des Wassers in ihre Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Es gibt viele Ansätze zur Wasserspaltung, die am häufigsten bei der Elektrolyse zum Einsatz kommen, bei der ein elektrischer Strom durch Wasser geleitet wird, um Wasserstoff- und Sauerstoffionen zu erzeugen. Obwohl viele Methoden der Wasserspaltung nicht energieeffizient sind, was die Energie betrifft, die zur Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff von Wasser erforderlich ist, im Vergleich zu der Energie, die später aus reinem Wasserstoff als Brennstoff gewonnen werden kann, wird das Verfahren dennoch als mögliche Alternative zum Ersetzen von a angesehen Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen. Anwendungen mit Solarenergie und neuen chemischen Katalysatoren zur Wasserspaltung bieten eine vielversprechende Methode zur Erzeugung erneuerbarer Nettoenergiegewinne, ohne dabei Treibhausgasemissionen oder andere Schadstoffe zu verursachen.
Die photokatalytische Wasserspaltung mit Hilfe von Licht oder anderen erneuerbaren Energiequellen wie Windenergie wird nun zur Erzeugung von elektrischem Strom in neuen Formen der Elektrolyse eingesetzt. Ziel ist die Schaffung eines Systems zur Wasserspaltung, das vollständig aus erneuerbaren Energiequellen wie Sonnenlicht gespeist wird und die Wasserstoffproduktion gegenüber fossilen Brennstoffen wettbewerbsfähig macht. Die Herausforderung bestand darin, Elektroden aus kostengünstigen und langlebigen Materialien zu entwickeln. Es wurde festgestellt, dass Kobalt- und Nickelboratverbindungen eine erhöhte Effizienz bieten und billig und einfach herzustellen sind. Obwohl diese neuen Elektrodenverbindungen in kommerziellen Systemen zur Herstellung von Solarkraftstoffen sicher sind, können sie noch nicht mit der Effizienz industrieller Elektrolyseverfahren mit gefährlichen Alkaliverbindungen als Elektrolytlösungen mithalten.
Wasserspaltmechanismen, die hinsichtlich des Energiegewinns die größten Aussichten bieten, basieren auf dem Photosyntheseprozess, mit dem Pflanzen Sonnenlicht in chemische Energie umwandeln. Während natürliche Systeme dafür sehr langsame und künstliche Systeme sind, die ihren ursprünglichen Wirkungsgrad von weniger als 1% nachahmen, als 1972 in Japan damit begonnen wurde, erhöhen neue Verfahren die Wasserstoffproduktion. Die japanischen Forscher begannen 2007 mit der Beschichtung von Elektroden aus hydriertem mikrokristallinem Silizium mit Nanopartikeln aus Platin, was die Stabilität und Lebensdauer der Elektroden und ihre katalytische Fähigkeit bei der Wasserspaltung weiter erhöhte.
Eine ähnliche Studie des National Renewable Energy Laboratory (NREL) in den USA zielt auf eine Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoff von 14% im Jahr 2015 ab, wobei die Lebensdauer der Elektroden von 1.000 Stunden im Jahr 2005 auf 20.000 Stunden im Jahr 2015 erhöht wurde. Mit zunehmendem Wirkungsgrad sinken die entsprechenden Kosten für die Herstellung von Wasserstoffbrennstoffen, wobei die Kosten für die H 2 -Produktion in US-Dollar (USD) pro Kilogramm (USD / kg) im Jahr 2005 bei USD 360 / kg bis auf USD 5 / kg im Jahr 2015 liegen Die Wasserspaltung zur Erzeugung von Wasserstoff ist immer noch drei- bis zehnmal teurer als die Erzeugung von wasserstoffbasierten Brennstoffen aus der Reformation von Erdgas. Die Forschung hat noch einiges zu tun, bevor sie wirtschaftlich mit dem etablierten Energiesektor konkurrieren kann.