Nachhaltigkeit
Siliziumkarbid verbessert sich als Kandidat für die Wasserstoff-Photokatalyse
Warum Wasserstoff für die Dekarbonisierung unverzichtbar ist
Als die Bemühungen zur Dekarbonisierung unserer Energiesysteme weitergehen, wird deutlich, dass einige Prozesse mehr als nur grüne Elektrizität benötigen. Das gilt möglicherweise für den Verkehr, insbesondere für schwere Aufgaben wie Busse und Lastwagen, zweifellos für den Schiffs- und Luftverkehr und ebenso für schwere Industrien wie die Stahlherstellung und die Chemieproduktion.
Der Grund ist, dass einige Anwendungen entweder sehr heiße Verbrennung (Metallurgie), die Bereitstellung energiereicher Wasserstoffatome ohne den Einsatz von Methan (Chemieindustrie) oder einen sehr energiedichten Kraftstoff (Schifffahrt) benötigen, für die elektrische Energie und Batterien einfach nicht geeignet sind.
„Personenkraftwagen können eine Batterie haben, aber schwere Lastwagen, Schiffe oder Flugzeuge können keine Batterie zur Energiespeicherung nutzen. Für diese Verkehrsmittel müssen wir saubere und erneuerbare Energiequellen finden, und Wasserstoff ist ein guter Kandidat.“
Jianwu Sun – Außerordentlicher Professor an der Linköping University
Deshalb haben Forscher und Klimaaktivisten grünen Wasserstoff, der ohne fossile Brennstoffe erzeugt wird, als Alternative in Betracht gezogen. Das Problem ist jedoch, dass die Produktion von grünem Wasserstoff bisher zu teuer war, um eine massenhafte Verdrängung fossiler Brennstoffe zu ermöglichen.
Wie man die Herausforderung der grünen Wasserstoffproduktion löst
Bisher basieren die meisten Methoden zur Wasserstoffproduktion auf einem 2‑Schritte‑Verfahren:
- Erstens wird grüne Energie mit Solar, Wind, Wasserkraft oder einer anderen erneuerbaren Energieform erzeugt.
- Zweitens wird diese grüne Elektrizität genutzt, um die Katalyse von Wasser zu Wasserstoff anzutreiben.
Das Problem dabei ist, dass jeder mehrstufige Prozess zwangsläufig weniger effizient ist.
Zum Beispiel wird Sonnenlicht von Solarmodulen nur mit einer Ausbeute von 20‑25 % in Strom umgewandelt; anschließend wird der Strom zu einem Wasserstoffkatalysator transportiert, der ebenfalls eine relativ niedrige Ausbeute hat. Am Ende liegt die Gesamtausbeute von Solarenergie zu Wasserstoff wahrscheinlich im einstelligen Prozentbereich.
Und es gibt die Frage der Kosten. Der Katalysator verbraucht wahrscheinlich seltene Metalle wie Platin oder Palladium. Auch die Erzeugung erneuerbarer Energie nutzt seltene Materialien wie Silber, und die Stromübertragung vom Solarpark zum Katalysator erfordert oft massive Investitionen.
Schließlich erfordern die meisten wasserstoffproduzierenden Katalysatoren ein stabiles Niveau an elektrischer Leistung, was bedeutet, dass große Batteriesysteme als zusätzliche Komponenten zur erforderlichen Infrastruktur hinzugefügt werden müssen.
Es werden viele mögliche Ansätze zur Lösung dieses Problems erforscht. Zum Beispiel haben wir bereits diskutiert:
- Verwendung verschiedener Materialien für die Wasserstoffproduktion, wie Wolfram‑Kobalt oder Nickel.
- Verwendung von Schrottmetall aus der Bearbeitung von Platin und Kobalt.
- Entwicklung eines künstlichen Photosyntheseprozesses mit Ruthenium‑Nanopartikeln.
Jede dieser Methoden könnte letztlich dazu führen, günstigere Katalysatoren zu schaffen, die nicht eine teure Menge an neuem Platin für die Wasserstoffproduktion benötigen.
Ein neuer Ansatz besteht jedoch darin, direkte Photokatalyse zu betreiben, also die Umwandlung von Wasser in Wasserstoff direkt aus der Sonnenenergie, ohne vorherige Umwandlung in elektrische Energie. Direkte Photokatalyse kann nicht nur die Notwendigkeit mehrerer Schritte eliminieren, sondern verwendet auch einfachere und weniger seltene Materialien für den Aufbau grüner Energieerzeugung und Infrastruktur.
Dies ist der Ansatz, den Forscher der Linköping University (Schweden), der Kyushu University (Japan), des MAX IV Laboratory (Schweden) und der Dalian University of Technology (China) vertreten. Sie veröffentlichten ihren neuesten Fortschritt im Journal of the American Chemical Society1 unter dem Titel „Manipulating Electron Structure through Dual-Interface Engineering of 3C‑SiC Photoanode for Enhanced Solar Water Splitting“.
Siliziumkarbid für die Photokatalyse
Wie Siliziumkarbid direkte Photokatalyse ermöglicht
Dieses Forscherteam hat bereits mit einem Material namens kubisches Siliziumkarbid (3C‑SiC) gearbeitet.
Quelle: RRL Solar
Das Material kann das Sonnenlicht effektiv einfangen, um Wasserstoff durch die photochemische Wasserspaltung zu produzieren.
Quelle: RRL Solar
Wenn Sonnenlicht auf das Material trifft, werden elektrische Ladungen erzeugt (wie in einem Polysilizium‑Solarmodul), die dann zur Spaltung von Wasser verwendet werden.
Eine Herausforderung bei der Entwicklung von Materialien für diese Anwendung besteht darin, zu verhindern, dass sich positive und negative Ladungen wieder vereinigen und einander neutralisieren.
Daher ist es wichtig, die elektrischen Ladungen getrennt zu halten, um die Spaltung von Wasser in Wasserstoff effektiver zu machen.
Neues dreischichtiges Siliziumkarbid‑Katalysator‑Design
Die Forscher kombinierten eine Schicht kubischen Siliziumkarbids mit zwei weiteren Schichten, wobei sie Nickelhydroxid (Ni(OH)2) und Kobaltoxide (Co3O4) verwendeten.
Das Team hatte bereits die Herstellung von kubischem Siliziumkarbid mittels Sublimationstechnik perfektioniert und die Qualität des Kristalls mit Röntgendiffraktion (XRD) bestätigt.
Sie bestätigten zudem, dass die Schnittstelle zwischen den Schichten die Lebensdauer der elektrischen Ladungen verlängert, wodurch die Wahrscheinlichkeit steigt, dass die Elektronen von chemischen Reaktionen zur Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff genutzt werden.
„Es ist eine sehr komplizierte Struktur, daher bestand unser Fokus in dieser Studie darin, die Funktion jeder Schicht zu verstehen und wie sie die Eigenschaften des Materials verbessert.
Das neue Material hat achtmal bessere Leistung als reines kubisches Siliziumkarbid bei der Spaltung von Wasser zu Wasserstoff.
”
Jianwu Sun – Außerordentlicher Professor an der Linköping University
Nächste Schritte zur Steigerung der Photokatalyse‑Effizienz
Bisher hat die Siliziumkarbid‑Photokatalyse nur eine energetische Ausbeute von 1‑3 % erreicht.
Das Vorhandensein einer „P‑Typ“-Schicht aus Kobaltoxid unter den Strukturen aus Nickelhydroxid beschleunigt die Bewegung der Elektronen und erhöht die Wasserstoffproduktion.
Obwohl noch nicht dort, schätzen die Forscher, dass dies mit ihrer Methode deutlich verbessert werden könnte.
Letztendlich wird eine Ausbeute von >10 % erwartet, ohne dass Platin oder Palladium benötigt werden, ohne aufwendige Infrastruktur oder eine kontinuierliche Stromversorgung angewiesen zu sein, wobei die Wasserstoffproduktion direkt erfolgt, sobald die Sonne auf das Gerät scheint.
Investitionen in Siliziumkarbid‑Unternehmen
ON Semi
(ON )
ON Semi ist ein Halbleiterunternehmen, das sich auf Elektrifizierung spezialisiert hat, einschließlich im Automobilbereich, aber auch in anderen Sektoren wie Solarenergie, Batterien, Luft- und Raumfahrt, Telekommunikation, Rechenzentren und Medizintechnik.
Daher ist es ein wichtiger Partner für viele der größten Industrieunternehmen weltweit.
Quelle: ON Semi
Ein großer Teil von ON Semis technologischem Vorteil beruht auf Siliziumkarbid, einer Art Silizium‑Kohlenstoff‑Verbindung, die für Hochenergie‑Elektriksysteme verwendet wird. Sie ermöglichen insbesondere sehr hohe Leistungsbelastungen, die für das Schnellladen von Elektrofahrzeugen erforderlich sind.
Siliziumkarbid ist die Chemikalie, die Forscher kürzlich verwendet haben, um halbleitendes Graphen zu entwickeln, wie in unserem Artikel „Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?“ diskutiert, und wie hier ebenfalls das Potenzial für die Wasserstofferzeugung hat.
ON Semis Strategie, stark auf Siliziumkarbid zu setzen, führte in den letzten Jahren zu einem Umsatzsprung, getragen von der Elektrofahrzeug‑Revolution.
Quelle: ON Semiconductor
Immer leistungsfähigere und effizientere Batterien und elektrische Systeme, die Siliziumkarbid verwenden, werden in der globalen Lieferkette immer wichtiger. Als Marktführer wird ON Semi voraussichtlich stark vom Elektrifizierungstrend profitieren, insbesondere von Elektrofahrzeugen und anderen grünen Energien.
(Sie können auch einen ausführlicheren Beitrag über dieses Unternehmen in “On Semiconductor (ON): Silicon Carbide Powering Electrification” lesen.)
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Studie referenziert
1. Hui Zeng, et al. (2025) Manipulating Electron Structure through Dual-Interface Engineering of 3C‑SiC Photoanode for Enhanced Solar Water Splitting. Journal of the American Chemical Society Band 147/Ausgabe 17. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c04005
