Der steigende Bedarf an nachhaltigen und sauberen Energiequellen wird durch die zunehmende Erschöpfung fossiler Brennstoffe und die drängenden Umweltprobleme weltweit immer wichtiger. In diesem Kontext hat sich die Wasserstoffproduktion mittels photoelektrochemischer Systeme als besonders vielversprechende Technologie herauskristallisiert. Dabei wird Sonnenlicht direkt zur Erzeugung von Wasserstoff genutzt, der als energieeffizienter und emissionsarmer Energieträger gilt. Die Konventionelle photoelektrochemische Wasserstoffproduktion stößt allerdings bei der Nutzung von kristallinem Silizium als Photoelektrode auf wesentliche Herausforderungen, vor allem aufgrund der begrenzten Photospannung, die für die Wasserspaltung erforderlich ist. Eine neuartige Lösung dieses Problems bietet die Kopplung der Furfural-Oxidation mit Silizium-Photoelektroden, welche eine bias-freie und zugleich doppelte Wasserstofferzeugung ermöglicht.
Kristallines Silizium (c-Si) zeichnet sich durch seine hohe Photostromdichte aus, die theoretisch bis zu 43,37 mA/cm² unter einfallendem Sonnenlicht (1-sun) erreichen kann. Diese Eigenschaft macht c-Si zum vermutlich besten Material, um die Wasserstoffproduktion aus solarer Energie maximal zu steigern. Zudem ist Silizium auf der Erde reichlich vorhanden und seine Fertigungstechnologie ist gut etabliert. Dennoch ist das intrinsische Photospannungspotenzial von c-Si mit nur etwa 0,6 V zu niedrig, um die hohe Spannung von mehr als 1,6 V zu erreichen, die für die herkömmliche Wasserspaltung notwendig ist. Der Engpass entsteht insbesondere durch die Sauerstoffentwicklung bei der Wasseroxidation, deren thermodynamische und kinetische Anforderungen die Photospannung begrenzen. Um dieser Limitierung zu begegnen, haben Forscher einen innovativen Ansatz verfolgt: Anstelle der energieintensiven Wasseroxidation wird die Oxidation von Furfural eingesetzt.
Furfural ist eine bio-basierte Plattformchemikalie, die in großen Mengen aus Biomasse gewonnen wird. Im Gegensatz zur Wasserspaltung verlangt die Furfural-Oxidation eine deutlich geringere Spannung und liefert zudem neben Wasserstoff ein wertvolles Oxidationsprodukt – Furoinsäure. Durch diese Reaktion kann das c-Si-Photoelektroden-System einen Bias-freien Betrieb realisieren, sprich ohne externe elektrische Anhebung der Spannung, und gleichzeitig Wasserstoff an beiden Elektroden erzeugen. Dies hat weitreichende Vorteile, denn zunächst entfallen zusätzliche Stromquellen oder zweite Photoelektroden, die bislang zur Überwindung der Spannungsbarriere nötig waren. Außerdem können so die inhärent hohe Photostromdichte des siliziumbasierten Systems vollständig genutzt und die Wasserstoffproduktionsrate signifikant gesteigert werden.
In Experimenten wurde eine Wasserstoffbildungsrate von 1,40 mmol pro Stunde und Quadratzentimeter unter Standard-1-Sonnen-Belichtung erzielt – ein Wert, der die Zielvorgaben des US-Energieministeriums um das Vierfache übertrifft. Die praktische Umsetzung erfolgt durch die Konstruktion einer photoelektrokatalytischen Zelle, bei der als Kathode eine speziell gefertigte c-Si IBC-Solarzelle dient. Diese Rückseitenkontaktierte Struktur minimiert Verluste durch Lichtreflexion und elektrische Übergangsreaktionen und ermöglicht so eine höhere Kurzschlussstromdichte und Photospannung im Vergleich zu konventionellen Silizium-Photokathoden. Die Zelle wird durch eine Schutzschicht sowie eine Ni-Beschichtung verweilt vor der alkalischen Elektrolytlösung insbesondere geschützt. Auf dieser Rückseite sitzt der Platin auf graphitischem Kohlenstoffkatalysator, welcher die Wasserstoffentwicklung katalysiert.
Die Anode besteht aus einem hochporösen Kupferdrahtnetz, das den Furfural-Oxidationsprozess effizient unterstützt. Das Kupferkatalysatorsystem wurde speziell so modifiziert, dass es eine massive Oberfläche mit hoher Aktivität bietet, wobei die vollmetallische Kupferphase die aktive Komponente darstellt. Unter alkalischen Bedingungen setzt die Furfural-Oxidation früh bei ca. 0 V gegen das reversible Wasserstoffelektrodenpotential ein, wodurch die erforderliche Spannung für den Betrieb der Zelle deutlich unter der für die Sauerstoffentwicklung liegt. Die Oxidationsreaktion wandelt Furfural in Furoinsäure um und erzeugt dabei gleichzeitig Wasserstoff an der Anode – wie am Kohlenstoffanalytik mittels Gaschromatographie und Massenspektrometrie belegt. Durch die Kombination dieser Verfahren gelingt es dem gesamten System, an beiden Elektroden gleichzeitig Wasserstoff zu gewinnen – duale Wasserstoffproduktion.
Dieser Effekt hebt die Effizienz der Solarkonversion deutlich über die bisherigen Systeme hinaus, die zumeist nur an der Kathodenseite Wasserstoff produzieren und auf anoden-seitige Sauerstoffentwicklung angewiesen sind. Die Entwicklung adressiert zudem praktische Herausforderungen des c-Si-Materials. Das Einbetten und Abschirmen der Solarzelle in Kombination mit dem Ni-Folienkatalysator auf der Rückseite sorgt nicht nur für Stabilität in der alkalischen Umgebung, sondern die elektrolytische Umgebung kühlt die Zelle auch während des Betriebs. Diese Kühlung verhindert den typischen Photospannungsverlust aufgrund thermisch aktivierter Rekombinationszustände in Silizium und ermöglicht so eine längerfristig stabile Leistung. Die Technologie ist vielversprechend für eine schnelle Kommerzialisierung, da Silizium preiswert und in großem Maßstab verfügbar ist und die Produktion von Furfural auf Basis lignozellulosischer Biomasse kontinuierlich weiterentwickelt wird.
Die entstehende Furoinsäure stellt zudem einen wertvollen Ausgangsstoff für diverse Industriezweige, von Pharma über Lebensmittel bis Polymerchemie dar und erhöht somit den wirtschaftlichen Wert der gesamten Produktion. Auch wenn noch Verbesserungen hinsichtlich der Langlebigkeit des Kupferkatalysators notwendig sind, um Teiloxidation und Metallauswaschungen zu begrenzen, zeigen erste Maßnahmen wie Redox-Polymerbeschichtungen oder Legierungsstrategien vielversprechende Ansätze. Die breite Verfügbarkeit weiterer Aldehyde als alternative Oxidationssubstrate eröffnet zudem Flexibilität und Zukunftssicherheit für die Technologie. Abschließend markiert die Koppelung von Furfural-Oxidation mit Kristallinem Silizium photoelektroden eine neue Ära in der solarbetriebenen Wasserstoffproduktion.
Dank reduzierter Spannungsbedarfe, erhöhter Wasserstofferträge und wirtschaftlich attraktiver Nebenerzeugnisse rückt das Ziel einer nachhaltigen, sauberen und bezahlbaren Wasserstoffwirtschaft deutlich näher. Die Methode vereinfacht das Systemdesign, steigert die Effizienz herausragend und bietet eine praktikable Lösung für die Energietransformation ins emissionsfreie Zeitalter.
