Internationales Forschungsprojekt erzielt Rekordwert bei Umwandlung von Kohlendioxid in Brennstoffe

Die gigantische Energie der Sonne für den täglichen Energiebedarf nutzbar zu ma-chen, das ist es, was Professor Thomas Hannappel antreibt. Der Leiter des Fachge-biets der TU Ilmenau „Grundlagen von Energiematerialien“ forscht daran, die Effi-zienz konventioneller Solarzellen mehr und mehr zu steigern – etwa mit innovati-ven Halbleitern, die die Sonnenstrahlung absorbieren und in elektrische Leistung umwandeln. Die Stapel-, Mehrfach- und Tandem-Solarzellen, die Prof. Hannappel optimiert, sind ungleich energieeffizienter als herkömmliche Solarzellen.

Tandemstrukturen bergen ein hochwirksames Potenzial. Mit einem einzigen Bau-teil, das heißt ohne den Umweg über einen sonst benötigten Elektrolyseur, wird Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und, weil regenerativ erzeugt, „grünen“ Wasserstoff zerlegt – statt Erdöl möglicherweise der Brennstoff der Zukunft. Fach-leute nennen solch ein alleinstehendes Bauteil, das ohne Verdrahtung nach außen auskommt, „künstliches Blatt“ – angelehnt an die Natur, die ebenfalls mit einem einzigen „Bauteil“, den grünen Blättern der Pflanzen, winzige Kraftwerke betreibt. Mit Sonnenlicht und Wasser wandeln sie mit Hilfe der Photosynthese das Kohlen-dioxid aus der Atmosphäre in Energieträger wie Zucker um. Dieses Prinzip der Na-tur entlehnt Prof. Thomas Hannappel mit seinem Team für die direkte solare Brenn-stofferzeugung: die künstliche Photosynthese.

Treibstoff im Überfluss, kostengünstig und sauber, ist das Ziel der Energiewende in Deutschland. Dazu hat das Bundesforschungsministerium das Projekt DEPECOR („Direkte Effiziente Photoelektrochemische CO2-Reduktion“) aufgelegt. Koordiniert von der TU Ilmenau, arbeiten hochkarätige internationale Partner aus Wissenschaft und Industrie mit demselben Ziel zusammen: die TU München, das Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie Berlin, das Fraunhofer Institut für Solare Ener-giesysteme und die Azur Space Solar Power GmbH.

Gemeinsam mit dem renommierten California Institute of Technology, assoziierter Partner im DEPECOR-Projekt, ist es dem Team nun gelungen, bei der Umwandlung von Kohlendioxid in nutzbare Brennstoffe in einem alleinstehenden, solar betrie-benen Bauelement einen neuen Bestwert zu erzielen. Der Wirkungsgrad von über fünf Prozent bei einer Stabilität von mehr als 50 Stunden zeigt, dass mit dem innovativen, kom-plexen Verfahren aus CO2 tatsächlich hochwer-tige Brennstoffe erzeugt werden können: Etha-nol, Kohlenmonoxid und Methansäure. Die Er-gebnisse seiner Forschungsarbeiten veröffent-lichte Prof. Thomas Hannappel, Gewinner des Thüringer Forschungspreises 2022, im renom-mierten Wissenschaftsjournal „Advanced Energy Materials“: „Wenn es mir als Wissen-schaftler erlaubt ist zu träumen, werden wir mit künstlicher Photosynthese das Tor aufstoßen zu einer Welt, die mit grünen Energieträgern ent-scheidend zur Zuverlässigkeit unseres Energiesystems, einer großen Mobilität und einer stabilen Energiespeicherung beiträgt.“

Der wissenschaftliche Artikel ist im Wissenschaftsmagazin „Advanced Energy Materials“ publiziert: [W.-H. Cheng et al. Integrated Solar-Driven Device with a Front Surface Semitransparent Catalysts for Unassisted CO2 Reduction, Adv. Energy Mater. 2201062 DOI: 10.1002/aenm.202201062 (2022)].