Wissenschaftler in Indien verwandeln Sonnenlicht in Treibstoff – Grüne Wasserstofftechnologie könnte Häuser und Autos mit Strom versorgen
Die von Dr. Ashutosh K. Singh und seinem Team am CeNS geleitete Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung eines nachhaltigen, skalierbaren und fossilbrennstofffreien Prozesses zur Erzeugung von grünem Wasserstoff.
Neu-Delhi: Wissenschaftler des Centre for Nano and Soft Matter Sciences (CeNS) in Bengaluru haben ein Gerät der nächsten Generation entwickelt und getestet, das grünen Wasserstoff durch die direkte Spaltung von Wassermolekülen mithilfe von Sonnenlicht und erdreichhaltigen Materialien erzeugt. Anders als beim herkömmlichen Verfahren, bei dem Solarmodule Strom erzeugen, der einen Elektrolyseur zur Wasserspaltung antreibt, nutzt dieses neue System einen direkten photoelektrochemischen (PEC) Prozess. Dabei löst Sonnenlicht selbst die Wasserspaltungsreaktion aus, wodurch eine externe Stromversorgung oder eine Notstromversorgung auf Basis fossiler Brennstoffe überflüssig wird. Dies macht den Prozess einfacher, effizienter und potenziell kostengünstiger. Die Forschung unter der Leitung von Dr. Ashutosh K. Singh und seinem Team am CeNS – einem autonomen Institut des Department of Science and Technology (DST) – konzentriert sich auf den Aufbau eines nachhaltigen und skalierbaren Systems zur Erzeugung von grünem Wasserstoff. Die Arbeit wurde im Journal of Materials Chemistry A der Royal Society of Chemistry veröffentlicht. Kern der Innovation ist eine neuartige siliziumbasierte Photoanode mit einer NIP-Heteroübergangsarchitektur. Dazu gehören Schichten aus n-Typ-Titandioxid (TiO₂), intrinsischem Silizium (Si) und p-Typ-Nickeloxid (NiO). Die Struktur verbessert die Lichtabsorption, verbessert die Ladungstrennung und gewährleistet einen effizienten Ladungstransport – entscheidend für die direkte Umwandlung von Solarenergie in Wasserstoff. Die Materialien wurden durch Magnetronsputtern aufgebracht, eine Dünnschichttechnik im industriellen Maßstab, die für ihre präzise Schichtbildung und strukturelle Stabilität bekannt ist. Das Gerät wurde unter alkalischen Elektrolytbedingungen betrieben und behielt seine strukturelle Integrität über längere Betriebsstunden. Der Prototyp erreichte eine Oberflächenphotospannung von 600 Millivolt und ein niedriges Onset-Potenzial von 0,11 Volt gegenüber der reversiblen Wasserstoffelektrode (VRHE), was auf eine hohe photoelektrochemische Effizienz und eine niedrige Energieschwelle hindeutet. Es lief unter simulierter Sonneneinstrahlung über 10 Stunden lang ununterbrochen mit nur einem Leistungsabfall von 4 %. „Die Heterostruktur wurde speziell entwickelt, um die PEC-Effizienz zu maximieren und gleichzeitig die Langzeitstabilität aufrechtzuerhalten“, sagte Dr. Singh. „Das bringt uns dem Bau praxistauglicher, fossilbrennstofffreier Wasserstoffsysteme einen Schritt näher.“ Um die Skalierbarkeit zu demonstrieren, testete das Team eine 25 cm² große Photoanode, die unter solaren Wasserspaltungsbedingungen effektiv funktionierte. Diese Skalierung ist vielversprechend für den Übergang vom Labor zu Pilotanwendungen und möglicherweise zur kommerziellen Wasserstoffproduktion. Das Design des Geräts verzichtet auf Seltenerd- oder teure Katalysatoren, benötigt weder hohen Druck noch hohe Temperaturen und ist mit verschiedenen Lithium-Ionen-Batteriechemikalien für die Integration erneuerbarer Energien kompatibel – das macht es flexibel und wirtschaftlich rentabel. Die Innovation unterstützt Indiens Ziele für saubere Energie im Rahmen der National Green Hydrogen Mission und des Aatmanirbhar Bharat. Durch die Erzeugung von grünem Wasserstoff direkt aus Sonnenlicht ohne Abhängigkeit von Strom oder importierten Materialien trägt das Gerät zur Energieautarkie und zu kohlenstoffneutralen Kraftstoffalternativen für Mobilität, Stromerzeugung und Industrie bei. Laut DST können solche Durchbrüche Indiens Führungsrolle in der Solarwasserstofftechnologie beschleunigen und zum Aufbau dezentraler Wasserstoffzentren mit lokalisierten Energieökosystemen beitragen. Das CeNS-Team erforscht weitere Skalierungspfade, Industriepartnerschaften und die Integration in die bestehende Wasserstoffinfrastruktur. Es plant außerdem, das Gerät unter verschiedenen klimatischen Bedingungen zu testen, um die langfristige Feldleistung in ganz Indien zu bewerten. Bei Erfolg könnte die Technologie zum Aufbau rund um die Uhr verfügbarer erneuerbarer Energiesysteme beitragen, insbesondere in Sektoren, in denen eine direkte Elektrifizierung schwierig ist – und so einen neuen Weg zu erschwinglichem und einheimischem grünem Wasserstoff in großem Maßstab eröffnen.
