Die drängende Herausforderung des Klimawandels und der begrenzte Vorrat an fossilen Brennstoffen haben das Interesse an nachhaltigen Energielösungen enorm gesteigert. Wasserstoff gilt als ein sauberer Energieträger der Zukunft, dessen Herstellung aus erneuerbaren Quellen essenziell für die Dekarbonisierung verschiedener Industriezweige ist. Die photoelektrochemische Wasserstoffproduktion, bei der Sonnenlicht direkt genutzt wird, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten, gilt als besonders vielversprechende Methode. Dennoch gibt es technische Herausforderungen, die es zu überwinden gilt, um diese Technologie wirtschaftlich und effektiv im großen Maßstab einzusetzen. Klassische photoelektrochemische Systeme verwenden häufig die Wasserelektrolyse, bei der an der Anode Wasser zu Sauerstoff oxidiert wird.
Dies erfordert eine vergleichsweise hohe Spannung, da die Sauerstoffentwicklung eine thermodynamisch anspruchsvolle Reaktion mit hohem Aktivierungsenergiebedarf ist. Zudem kann das intrinsisch geringe Photospannungsvermögen des hauptsächlich verwendeten Materials kristallines Silizium, trotz seiner exzellenten Lichtabsorptionseigenschaften und hohen Photoströmen, die Erzeugung des notwendigen Potentials für die vollständige Wasserspaltung nicht alleine gewährleisten. Eine bahnbrechende Alternative besteht darin, die anspruchsvolle Sauerstoffentwicklung durch oxidationsempfindlichere organische Verbindungen wie Furfural zu ersetzen. Furfural ist ein aus Biomasse hergestelltes Plattformmolekül, das aus der Abbaurate von hemicellulosehaltigen Rohstoffen gewonnen wird und weltweit in großen Mengen erzeugt wird. Der Oxidationsprozess von Furfural benötigt ein wesentlich geringeres Potenzial im Vergleich zur Wasserelektrolyse, was die photovoltativen Anforderungen an das Silizium-Photoelektrodensystem deutlich senkt.
Das Verfahren beruht darauf, Furfural auf einer Kupferanode bei niedriger Spannung oxidativ umzuwandeln. Dabei entsteht neben wertvollem Furoinsäure auch Wasserstoff. Gleichzeitig erfolgt die Reduktion von Wasser an der Siliziumphotokathode. Durch diese Anordnung wird Wasserstoff an beiden Elektroden produziert, eine sogenannte duale Wasserstoffproduktion, was die Gesamteffizienz des Systems signifikant steigert. Die hohe Photostromdichte von hochentwickelten kristallinen Siliziumzellen wird dabei vollständig ausgenutzt, ohne dass eine externe Spannung zugeführt werden muss, was als bias-freie Operation bezeichnet wird.
Die technische Umsetzung dieser Methode umfasst die Verwendung von interdigitally angeordneten, rückseitig kontaktierten kristallinen Siliziumsolarzellen als Photokathoden, welche eine optimierte Ladungstrennung und minimalen optischen Verlust erzielen. Eine Schutzschicht aus Glas und Nickelfolie wird angewandt, um die empfindlichen Siliziumoberflächen vor der aggressiven alkalischen Elektrolytumgebung zu schützen und gleichzeitig als Stromableitung zu fungieren. Auf der Anodenseite wird eine speziell präparierte Kupferdrahtstruktur verwendet, die eine große Oberfläche bietet und aktiv in der effizienten Umwandlung von Furfural zu Furoinsäure ist. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass dieses System Wasserstoff bei einer Rate von 1,40 Millimol pro Stunde und Quadratzentimeter produzieren kann – eine Steigerung um das Vierfache der von der US-Energiebehörde (DOE) vorgeschlagenen Mindestanforderungen für praktikable Photokatalyseverfahren. Dabei bleibt die Faraday-Effizienz nahe 200 Prozent, was die gleichzeitige Produktion von Wasserstoff an beiden Elektroden unterstreicht.
Das System demonstriert eine erstaunliche Stabilität über einen Zeitraum von mehreren Stunden kontinuierlichen Betriebs, wobei lediglich leichte Performanceverluste aufgrund von teilweiser Oxidation und Auflösung von Kupfer auftreten. Ein weiterer Vorteil der Furfuraloxidation ist die wirtschaftliche Attraktivität des Prozesses. Während die Sauerstoffproduktion bei der Wasseroxidation einen endwertigen, aber wenig marktfähigen Rohstoff generiert, entstehen bei der Oxidation von Furfural wertvolle chemische Produkte, die in der Pharma-, Aroma- und Polymerindustrie eingesetzt werden. Dies eröffnet eine neue Perspektive der Koproduktion von Wasserstoff und hochwertigen Chemikalien, die die Rentabilität solcher Systeme stark verbessern kann. Die Herausforderung liegt aktuell noch in der Herstellung großvolumiger Mengen von Furfural und vergleichbaren Biomasse-Plattformmolekülen in einer nachhaltigen und kostengünstigen Weise, um eine breite Anwendung des Verfahrens zu ermöglichen.
Auf dem Gebiet der Biomasseverarbeitung wird intensiv an der Optimierung der Umwandlungswege gearbeitet, um strukturvariantenreiche Rohstoffe wie lignocellulosehaltige Biomasse effizient zu nutzen. Zudem können weitere Aldehyde, die ebenfalls leicht oxidierbar sind, für analoge elektrochemische Prozesse in Frage kommen und somit die Flexibilität und Skalierbarkeit dieses Konzepts verbessern. Die Kühlwirkung des Elektrolyten spielt ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Erhaltung der optimalen Leistung des Silizium-Photokathoden-Systems. Ohne diese Kühlung durch die Flüssigkeitsumgebung würde die Temperaturerhöhung durch Lichtabsorption zu vermehrten Rekombinationsverlusten führen und somit die erreichbare Photospannung begrenzen. Das in Elektrolytlösung arbeitende System profitiert daher von einer stabileren Betriebsumgebung, wodurch höhere Wirkungsgrade und eine längere Lebensdauer erreicht werden.
Im Vergleich zu herkömmlichen Tandem-Systemen oder modularen Anordnungen, die den Photospannungsbedarf durch mehrschichtige Halbleiterschichten, jedoch auf Kosten der Photostromdichte adressieren, erlaubt die Furfural-basierte Oxidationsreaktion die vollelektrische Ausnutzung der hohen Photostromdichte von monolithischem kristallinem Silizium. Dies beseitigt das oftmals notwendige Design-Kompromiss zwischen Spannungserhöhung und Stromreduktion und ebnet den Weg für eine hocheffiziente und wirtschaftlich attraktiven Wasserstoffproduktion. Diese innovative Technologie trägt damit nicht nur zu einer effizienteren Nutzung der Solarenergie bei, sondern verbindet auch die Bereiche nachhaltiger Chemie und erneuerbarer Energien in einem vielversprechenden Hybridverfahren. Langfristig gesehen könnten durch die Kombination von photoelektrochemischer Wasserstofferzeugung mit Biomasse-Nutzung wichtige Beiträge zur Energiewende geleistet werden, insbesondere wenn die Herausforderungen der Materialstabilität und der Rohstoffverfügbarkeit weiter angegangen werden. Die Perspektiven auf diesem Gebiet sind vielversprechend.
Verbesserungen bei der Stabilisierung der Kupferanoden, beispielsweise durch Doping oder Schutzschichten, könnten die Lebensdauer deutlich erhöhen. Parallel dazu werden Arbeiten zur Steigerung der Furfuralproduktion aus Biomasse vorangetrieben, die das Rohstoffangebot ausweiten und somit die Wirtschaftlichkeit des gesamten Systems verbessern. Die Kopplung von Chemikalienproduktion und Wasserstofferzeugung durch gut kontrollierte elektrochemische Reaktionen ist ein wichtiger Meilenstein, um grüne Technologien massentauglich und wettbewerbsfähig zu machen. Die Verwirklichung solcher Systeme erfordert zudem die Integration in bestehende Energie- und Produktionsketten sowie eine sorgfältige Lebenszyklusanalyse, um den ökologischen Nutzen umfassend zu bewerten. Weiterführende Forschungsarbeiten fokussieren sich darauf, die Detailmechanismen der Furfuraloxidation auf Kupferoberflächen besser zu verstehen, was zur Optimierung der Katalysatorkonstruktion beitragen kann.
Auch die Kombination mit anderen photoaktiven Materialien und die Skalierung solcher Photoelektroden-Systeme stehen im Fokus aktueller Entwicklungen. Zusammenfassend steht die Kopplung der Furfuraloxidation mit kristallinen Silizium-Photoelektroden für eine nachhaltige, effiziente und wirtschaftlich relevante Methode der Wasserstoffherstellung. Sie erlaubt, die hohen photocurrent potentials von Silizium voll auszuschöpfen, reduziert den ursprünglichen Spannungshürden der Wasserspaltung durch die Verwendung eines niedrigpotenzialigen Oxidationsreaktanten und erzeugt gleichzeitig wertvolle chemische Produkte und doppelseitigen Wasserstoff. Damit leistet dieser Ansatz einen bedeutenden Beitrag, um die Produktionskosten von grünem Wasserstoff zu senken und seine Verbreitung als sauberer Energieträger zu fördern.
