Nachhaltige Energietechnik

Profil

Prinzip der photokatalytischen Wasserspaltung.

Trotz des großen Bedarfs zur technischen Realisierung der photoelektrochemischen Wasserstofferzeugung konnte bislang nur die grundsätzliche Machbarkeit im Labor nachgewiesen werden. Auf technischem Maßstab ist es noch nicht gelungen, effizient arbeitende Zellen zu entwickeln. Ein umfassendes Verständnis als Grundlage einer systematischen Weiterentwicklung fehlt.

In der Abteilung „Nachhaltige Energietechnik“ werden innovative Techniken zur Herstellung großflächiger Photoelektroden evaluiert. In enger Zusammenarbeit mit der Helmut-Schmidt-Universität, Hamburg, wird dafür insbesondere das Kaltgasspritzen erprobt. Ein wesentlicher Schritt zur Erhöhung der Effizienz ist eine optimale Strukturierung der Oberfläche, für die am HZG Methoden vom Nano- bis in den Mikrobereich entwickelt werden.

Verschiedene Elektroden

Verschiedene mit dem CGS Prozeß hergestellte Elektroden (TiO2, Hämatit, BiVO4)

Für eine kommerziell einfache und ökonomische Herstellung von großflächigen Photoelektroden ist der Transfer von Halbleiterpulvern (z.B. TiO2, WO3, Hämatit (α-Fe2O3)) in eine effizient arbeitende Elektrodenstruktur notwendig.

Surface topography CGS electrodes

Einer der Hauptfaktoren der Effizienz der Katalysatoren ist die für die Wasserspaltung zur Verfügung stehende katalytische Oberfläche. Unsere Abteilung arbeitet daher mit strukturierten Elektroden, die eine – im Vergleich zu flachen Elektroden – sehr viel höhere Oberfläche besitzen. Dabei werden neuartige Techniken zur Strukturierung in verschiedenen Größenordnungen untersucht.

Beispiele aus der Forschung
WTE-Ti-Mesh

Die Beschichtung von Geweben aus Polymer oder Metall erlaubt eine einfache Prozeßführung und bietet durch mehrlagige Verwendung eine signifikante Erhöhung der Oberfläche. Durch Verwendung von verschiedenen Geweben läßt sich die Elektrode allen Anforderungen anpassen.

WTE-Ti-Foam

Titanschäume aus dem MIM-Prozess der Abteilung Pulvertechnologie besitzen Makroporen, die eingesetzt als Substrat neben der Oberflächenvergrößerung zu einem verbesserten Gasmanagement führen können.

WTE-TiO2-P25/20-CGS

Das innovative Kaltgasspritzen ermöglicht im Gegensatz zu den etablierten nasschemischen Abscheidemethoden eine Anbindung des Katalysators ohne Binder und Sinterschritte. Beim Abscheiden besitzen die Partikel eine hohe kinetische Energie, so dass Brüche, mikrofeine Risse und Zwischenräume entstehen, die die zur Verfügung stehende Oberfläche signifikant erhöhen. Außerdem wird eine wesentliche bessere Anbindung der Partikel zum Substrat erzielt.

WTE-TiO2-inverse opals

Kombinationen aus mikro-, meso- und makroporöser Struktur können durch den Einsatz von inversen Opalstrukturen präpariert werden. Diese Technik ermöglicht nicht nur eine signifikante Erhöhung der Oberfläche sondern auch die Präparation von reproduzierbar gleichmäßigen Strukturen, die für grundlegende Untersuchung von Transportmechanismen in Photoelektroden genutzt werden können.

WTE-RIE

Durch Strukturen in der Dimension der Lichtwellenlänge kann die Absorption des Sonnenlichts gesteuert werden. Mittels „Reactive Ion Etching“ werden in Zusammenarbeit mit der Molecular Foundry (Lawrence Berkeley National Laboratory) Strukturen entworfen und hergestellt, die so die Absorptionseigenschaften der Elektroden steuern. Zusammen mit Photoaktiven Beschichtungen (hell im Bild zu sehen) kann die Lichtausbeute drastisch gesteigert werden.

Für die Durchführung dieser Forschungsarbeiten arbeitet unsere Abteilung eng mit anderen Gruppen und Instituten zusammen. Dazu zählen unter anderem das Helmholtz-Zentrum Berlin , die Molecular Foundry (Lawrence Berkeley National Laboratory), die Helmut-Schmidt-Universität und die Monash University in Melbourne .

Wir verfügen über eine umfassende Ausrüstung für die Herstellung und die photoelektrochemische Charakterisierung von Elektroden.

Kontakt


Leiter des Geschäftsbereichs Werkstofftechnologie

Prof. Dr. Thomas Klassen

Institut für Werkstoffforschung

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