Auf der Suche nach der besten Photoanode
Gregoire findet es zwar „spannend, 12 neue potenzielle Photoanoden für die Herstellung von Solarkraftstoffen gefunden zu haben, aber noch mehr, eine neue Pipeline für die Material-Entdeckung vor uns zu haben.“ Neaton erscheint es „besonders wichtig, was Experiment und Theorie kombiniert, nämlich, dass wir neben der Identifizierung mehrerer neuer Verbindungen für Solarkraftstoffanwendungen auch etwas Neues über die zugrundeliegende elektronische Struktur der Materialien selbst erfahren konnten“.
Bisherige Materialentdeckungsprozesse beruhten auf umständlichen Prüfungen einzelner Verbindungen, um ihr Einsatzpotenzial in bestimmten Anwendungen zu beurteilen. Im neuen Versuchsprozess kombinierten Gregoire und seine Kollegen rechnerische und experimentelle Ansätze, indem sie zuerst mit Computersimulationen eine Materialdatenbank mit potenziell nützlichen Verbindungen durchsuchten, sie auf der Grundlage der Eigenschaften der Materialien prüften und dann die meistversprechenden Kandidaten in Hoch-Durchsatz-Verfahren zu testen. In der im PNAS-Papier beschriebenen Forschungsarbeit erforschten die Forscher 174 Metall-Vanadat-Verbindungen (aus Vanadium und Sauerstoff mit je einem weiteren Element aus dem Periodensystem).
Die Forschung, sagt Gregoire, zeige, wie unterschiedliche Auswahl-Entscheidungen für dieses dritte Element Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften erzeugen könne und wie man diese Eigenschaften „tune“, um eine bessere Photoanode zu erzeugen. „Der wichtigste Fortschritt des Teams war es, die besten Fähigkeiten zu kombinieren, die durch Theorie und Supercomputer mit neuartigen Hoch-Durchsatz-Experimenten ermöglicht wurden, um wissenschaftliche Erkenntnisse in einer noch nie dagewesenen Menge zu generieren“, sagt Gregoire.
Trotzdem ist das Verfahren – noch – nicht wirtschaftlich. Die 1972 entdeckte erste Photoanode, Titandioxid, reagiert nur auf das ultraviolette Licht der Sonne, also auf einen kleinen Bereich des gesamten Spektrums. Ziel aller Forscher seitdem ist es, ein Material zu finden, das ein möglichst breites Spektrum des Sonnenlichts nutzt.
Elektrolyse wird überflüssig
Wir lernten einiges über die grundlegenden elektronischen Strukturen der Materialien“, sagt Neaton. Jetzt kombinieren die Forscher Praxiserfahrungen mit neuen Werkstoffen und Computersimulationen, um die am besten geeigneten Kandidaten vorab zu identifizieren. Sie fanden zwölf aussichtsreiche „Kandidaten“ für die Herstellung effektiver Photoanoden. Damit verdoppelten sie Zahl dieser speziellen Werkstoffe. Experimentell müssen die Forscher nun noch das geeignetste Material bestimmen und einen Produktionsprozess für Photoanoden auf dieser Basis entwickeln. Wie lange das dauert, ist offen.
Ein Aufsatz über die Methode und die neuen Photoanoden erschien am 06.03.2017 in der Online-Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Sciences.“
->Quellen:
- Übersetzung von caltech.edu/new-materials-could-turn-water-fuel-future: Gerhard Hofmann
- Artikel „Solar fuels photoanode materials discovery by integrating high-throughput theory and experiment“ pnas.org/1619940114.abstract
- solarfuelshub.org (JCAP)
- lbl.gov
- pressetext.com/20170308026