Erfolgsquote 100 Prozent: Drittmittel für Projekte zu Solaren Brennstoffen
Am HZB-Institut für Solare Brennstoffe werden auch nanostrukturierte Metalloxide auf ihre Eignung als effiziente und preiswerte Katalysatoren für die künstliche Photosynthese untersucht. © HZB
Die flüchtige Energie der Sonne umzuwandeln und zu speichern, zählt zu den großen Herausforderungen der Energiewende. Über eine „künstliche Photosynthese“ kann Solarenergie zur Erzeugung von Wasserstoff genutzt werden. Forscherteams am HZB-Institut für Solare Brennstoffe arbeiten an neuen anorganischen Materialsystemen, um kompakte, robuste und preiswerte Lösungen für diese künstliche Photosynthese zu entwickeln. Gemeinsam mit Partnern aus Universitäten haben sie vier Forschungsvorhaben bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG im Schwerpunktprogramm „Regenerativ produzierte Brennstoffe durch lichtinduzierte Wasserspaltung“ (SPP 1613) eingereicht. Alle vier Projekte werden nun durch die DFG gefördert.
„Insgesamt konnte nur die Hälfte der eingereichten Forschungsvorhaben bewilligt werden, in diesem harten Wettbewerb ist eine Erfolgsquote von 100 Prozent wirklich bemerkenswert”, sagt Professor Roel van de Krol, der das HZB-Institut für Solare Brennstoffe leitet. „Das bedeutet für uns, dass wir die Aktivitäten unseres Instituts weiter verstärken und ausbauen können.“ Für die ersten drei Projekte hat die DFG die Weiterführung für die nächsten drei Jahre bewilligt, das vierte Projekt ist ein neues Forschungsvorhaben.
Am HZB-Institut für Solare Brennstoffe arbeiten die Forschungsgruppen daran, monolithische Materialsysteme zu entwickeln, bei denen halbleitende Absorber und Katalysatoren in einer Struktur integriert sind. Dabei untersuchen und optimieren sie die photonischen Anregungen, die Sonnenlicht in den Halbleiterstrukturen auslöst, genauso wie die Prozesse an den Katalysatorschichten, an denen sich Wasserstoffgas bildet.
Die Vision ist es, die Energie des Sonnenlichts in Form von chemischer Energie zu speichern, durch die Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. Wasserstoff besitzt eine hohe gravimetrische Energiedichte, lässt sich gut speichern und kann bei Bedarf direkt in Brennstoffzellen Strom erzeugen oder auch als Ausgangsmaterial für die Herstellung künstlicher Kohlenwasserstoff-Brennstoffe genutzt werden.
Die Forschungsvorhaben im Einzelnen:
- Development of catalysts, namely manganese oxides and molybdenum sulphides, for an implementation in a light-driven water-splitting device using a multi-junction solar cell. Partner: Prof. H. Dau (PI, FU-Berlin), Prof. P. Kurz (University Freiburg i. Br.), Prof. S. Fiechter (HZB).
- High-throughput characterization of multinary transition metal oxide and oxynitride libraries. New materials for solar water splitting with improved properties. Partner: Prof. Wolfgang Schuhmann (PI, Ruhr University Bochum), Prof. Alfred Ludwig (Ruhr University Bochum), Prof. S. Fiechter (HZB).
- Novel thin film composites and co-catalysts for visible light-induced water splitting. Partner: M. Behrens (Uni Duisburg), A. Fischer (Uni Freiburg), M. Lerch (TU Berlin), T. Schedel-Niedrig (HZB).
- Development of optimum bandgap photoanodes for tandem water-splitting cells based on doped complex metal oxides and III-V semiconductors coupled to water oxidation electrocatalysts. Partner: R. Beranek (PI, Ruhr University Bochum), A. Devi (Ruhr University Bochum), R. Eichberger (HZB).
- Poröse organische Struktur verbessert Lithium-Schwefel-BatterienEin neu entwickeltes Material kann die Kapazität und Stabilität von Lithium-Schwefel-Batterien deutlich verbessern. Es basiert auf Polymeren, die ein Gerüst mit offenen Poren bilden. In der Fachsprache werden sie radikale kationische kovalente organische Gerüste oder COFs genannt. In den Poren finden katalytisch beschleunigte Reaktionen statt, die Polysulfide einfangen, die ansonsten die Lebensdauer der Batterie verkürzen würden. Einige der experimentellen Analysen wurden an der BAMline an BESSY II durchgeführt. Prof. Yan Lu, HZB, und Prof. Arne Thomas, Technische Universität Berlin, haben diese Arbeit gemeinsam vorangetrieben.
- Metalloxide: Wie Lichtpulse Elektronen in Bewegung setzenMetalloxide kommen in der Natur reichlich vor und spielen eine zentrale Rolle in Technologien wie der Photokatalyse und der Photovoltaik. In den meisten Metalloxiden ist jedoch aufgrund der starken Abstoßung zwischen Elektronen benachbarter Metallatome die elektrische Leitfähigkeit sehr gering. Ein Team am HZB hat nun zusammen mit Partnerinstitutionen gezeigt, dass Lichtimpulse diese Abstoßungskräfte vorübergehend schwächen können. Dadurch sinkt die Energie, die für die Elektronenbeweglichkeit erforderlich ist, so dass ein metallähnliches Verhalten entsteht. Diese Entdeckung bietet eine neue Möglichkeit, Materialeigenschaften mit Licht zu manipulieren, und birgt ein hohes Potenzial für effizientere lichtbasierte Bauelemente.
- Schlüsseltechnologie für eine Zukunft ohne fossile EnergieträgerIm Juni und Juli 2025 verbrachte der Katalyseforscher Nico Fischer Zeit am HZB. Es war sein „Sabbatical“, für einige Monate war er von seinen Pflichten als Direktor des Katalyse-Instituts in Cape Town entbunden und konnte sich nur der Forschung widmen. Mit dem HZB arbeitet sein Institut an zwei Projekten, die mit Hilfe von neuartigen Katalysatortechnologien umweltfreundliche Alternativen erschließen sollen. Mit ihm sprach Antonia Rötger.