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18 ISSN 1619-3350 Air Products baut erneuerbare Wasserstoff-Tankstelle in Indien Air Products wird zusammen mit der indischen University of Petroleum and Energy Studies (UPES) die erste indische Wasserstoff-Tankstelle bauen, die ihre Energie direkt von der Sonne bezieht. Air Products sorgt dabei für die Gastechnik. Die Tankstelle soll Busse versorgen sowie Demonstrationsfahrzeuge der UPES. Zu ihr gehört ein Elektrolyseur, der mit Solarstrom betrieben wird. Die Tankstelle soll am Solar Energy Centre in der Nähe von Delhi entstehen und im Juli 2013 in Betrieb gehen. (Air Products-Pressemitteilung vom 28. November 2012) Tankstelle Goldenes Horn Kadir Tobass, Bürgermeister von Istanbul, nahm Ende November in einer öffentlichen Veranstaltung eine Wasserstoff-Tankstelle am Goldenen Horn in Betrieb. Zu ihr gehört ein Elektrolyseur von Hydrogenics. Bis zu 65 kg Wasserstoff pro Tag unter 350 bar können abgegeben werden. Kunden sollen sowohl Land- als auch Wasserfahrzeuge sein. Finanziert wurde die Station vom International Centre for Hydrogen Energy Technologies (ICHET), einem Projekt der United Nations Industrial Development Organization (UNIDO), das 2004 in Istanbul gegründet wurde und vom türkischen Ministerium für Energie und natürliche Ressourcen unterstützt wird. (Hydrogenics-Pressemitteilung vom 30. November 2012) Neues aus der Forschung Rost ist toll Wer freut sich schon über Rost (Eisenoxid). Dessen kristalline Form hingegen (Hämatit) ist ein beliebter Schmuckstein. Auch unter dem Gesichtspunkt der direkten Wasserspaltung durch Sonnenlicht zur Gewinnung von Wasserstoff findet dieses Material Interesse. Eisenoxid ist ein viel versprechendes Elektrodenmaterial für die photoelektrochemische Wasserspaltung – nicht zuletzt, weil es billig, stabil, umweltfreundlich und in großen Mengen verfügbar ist. Einem internationalen Forscherteam unter Leitung der Schweizer Empa ist es nun gelungen, die molekularen Strukturänderungen einer Eisenoxidelektrode während der Wasserspaltung zu beobachten. jedoch ein großer Teil der Paare verloren, bevor er an der Oberfläche Wasser spalten kann. Daher ist es wichtig, genauere Kenntnisse über den Zustand der Elektronenlöcher an der Oberfläche des Hämatits zu gewinnen. Bereits früher wurde vermutet, dass Hämatit zwei verschiedene Arten von Löchern mit unterschiedlichem Potenzial für Wasserspaltung bildet. Die Existenz der verschiedenen Typen von Löchern mit unterschiedlicher Reaktivität für Wasseroxidation hat weit reichende Auswirkungen auf die photoelektrische Leistungsfähigkeit von Hämatit. Allerdings ist es schwierig, diese Löcher zu detektieren, unter anderem, weil sie extrem kurzlebig sind. Hämatit ist ein viel versprechendes Anodenmaterial für photoelektrochemische Zellen (PEC), weil sich mit ihm Sonnenlicht in einem breiten Spektralbereich einfangen lässt. Obwohl Hämatit theoretisch bis zu 15 % der Sonnenenergie in Wasserstoff umwandeln könnte, ist die tatsächliche Effizienz deutlich geringer als die anderer Metalloxide. Sonnenlicht erzeugt in PEC-Elektroden permanent Paare aus Elektronen und Löchern, die an die Oberfläche diffundieren, dort Wasser spalten und Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen. Aufgrund der molekularen Struktur von Hämatit geht Bei ihrer Arbeit untersuchten Wissenschaftler von der Empa, der EPF Lausanne, der Universität Basel, aus China und den USA die photoelektrisch generierten Löcher in einer speziell konstruierten photoelektrochemischen Zelle während des Betriebs. Sie zeichneten Absorptionsspektren von weichem Röntgenlicht auf, während die Zelle unter simuliertem Sonnenlicht oder im Dunkeln in Betrieb war und identifizierten zwei neue Spektralsignaturen, die von zwei unterschiedlichen Lochübergängen stammen. Dies ist das erste Mal, dass die Elektronenstruktur einer PEC-Photoanode während
Jahrgang 17, Nr. 1/13 (Januar/Februar) 19 einer Wasserspaltung analysiert wurde. Die Vorbereitung für dieses äußerst komplizierte Experiment nahm drei Jahre in Anspruch. Schließlich funktioniert Röntgenspektroskopie nur im Ultrahochvakuum – Photoelektrochemie hingegen funktioniert nur in Flüssigkeiten. Eine Kombination von beidem war allein aus technischer Sicht eine große Leistung. Und einiges Glück kam auch noch dazu. Das Experiment bewies die Bildung zweier verschiedener Typen von Elektronenlöchern an der Berührungsfläche von Halbleiter und Flüssigkeit – unter genau den Bedingungen, unter denen der Photostrom entsteht. Die quantitative Analyse der Spektralsignatur zeigte, dass beide Typen, im Unterschied zu früheren Spekulationen, zu dem entstehenden Photostrom beitragen. Dies wird als Meilenstein beim Verständnis der solaren Wasserspaltung angesehen und als eine ermutigende Neuigkeit für Wissenschaftler weltweit, die daran arbeiten, Hämatit für PEC-Photoanoden zu optimieren. A. Braun, K. Sivula, D. K. Bora, J. Zhu, L. Zhang, M. Grätzel, J. Guo, E. C. Constable: „Direct Observation of Two Electron Holes in a Hematite Photo-Anode during Photoelectrochemical Water Splitting“, J Phys Chem C 116 (2012) 16870 An der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) wurde auf der Grundlage dieser Ergebnisse eine so genannte photoelektrochemische Tandem-Solarzelle entwickelt, die vergleichsweise teure Halbleitermaterialien durch Metalloxide wie eben Rost ersetzt. Der Prototyp kann zwar nur 3,1 % des einfallenden Lichts verwerten, doch stellt er nur einen ersten Schritt dar. 16 % werden als möglich angesehen. Eine Gruppe in den USA habe bereits eine Tandem-Zelle mit 12,4 % Effizienz entwickelt hat, die aber gleichzeitig ein bislang großes Problem mit dem Ansatz aufzeigt. Mit der amerikanischen Methode würde es 10 k$ kosten, eine Fläche von 10 cm² herzustellen. Diese Kosten müssen gesenkt werden. Eisenoxid ist dafür ein guter Kandidat, da das Material billig und relativ stabil ist. Leider funktioniert es nicht mit dem stinknormalen Rost, den man von seinem Auto abkratzen könnte. Eisenoxid ist normalerweise kein guter Halbleiter. Deswegen kommt in der Neuentwicklung nanostrukturiertes Eisenoxid zum Einsatz, dem andere relativ günstige Substanzen wie etwa Siliziumdioxid - im Prinzip Sand - beigemengt sind. Dadurch verbessern sich die Materialeigenschaften so weit, dass die Aufspaltung von Wasser in Sauer- und Wasserstoff mit dem Prototypen funktioniert. Wirklich attraktiv machen den neuen Ansatz die geringen Kosten, aber noch ist die Effizienz der Neuentwicklung nicht wirklich praxistauglich. Doch die Forscher sind zuversichtlich. Mit dem neuen Konzept auf Basis von Eisenoxid hoffen sie, in einigen Jahren eine Effizienz von 10 % zu erreichen, für weniger als 80 $ pro m². Um das zu erreichen, soll unter anderem an möglichst einfachen Fertigungsmethoden gearbeitet werden. Langfristig solle die Effizienz dem Forscher zufolge sogar bei weiterhin geringen Kosten noch weiter zu steigern sein - letztlich eben auf rund 16 %. J. Brillet, J.-H. Yum, M. Cornuz, T. Hisatomi, R. Solarska, J. Augustynski, M. Graetzel, K. Sivula: „Highly efficient water splitting by a dual-absorber tandem cell“, Nature Photonics 6 (2012) 824-8 Auf raffinierten Schleichwegen zum Wasserstoff Chlamydomonas reinhardtii ist eine an sich recht unauffällige Grünalge, die aber eine besondere Eigenschaft hat: sie kann mit hohem Wirkungsgrad Wasserstoff produzieren. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion (MPI CEC) und der Ruhr-Universität Bochum (RUB) haben mit spektroskopischen Untersuchungen an dem dafür verantwortlichen Enzym herausgefunden, wie das geht. Das untersuchte Enzym besitzt im Zentrum einen Doppeleisenkern, daher wird es auch [FeFe]-Hydrogenase genannt. Hydrogenasen sind von großem Interesse für die Energieforschung, da sie effizient Wasserstoff produzieren können. Doch das tiefgehende Verständnis ihrer Wirkweise, so dass man z. B. nach diesem Vorbild neue Katalysatoren entwickeln könnte, fehlte bisher. Bei der Wasserstoffproduktion tun sich zwei Elektronen mit zwei Protonen zusammen. Das Forscherteam zeigte, dass das erste Elektron zunächst wie erwartet auf das Eisenzentrum des Enzyms übertragen wird. Der zweite Transfer hingegen erfolgt auf einen Eisen-Schwefel-Cluster, der sich in der Peripherie befindet. Er bildet somit eine Zwischenablage für das zweite Elektron. Dieser „super-reduzierte“ Zustand ist möglicherweise für die extrem hohe Effizienz der Hydrogenase verantwortlich. Anschließend werden dann beide Elektronen in einem Schritt von dem Enzym auf die Protonen übertragen, so dass Wasserstoff entsteht. Erst
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Seite 3 und 4: Jahrgang 17, Nr. 1/13 (Januar/Febru
Seite 17: Jahrgang 17, Nr. 1/13 (Januar/Febru

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