Solarbetriebenes Gerät erzeugt gleichzeitig sauberes Wasser und sauberen Kraftstoff

Forscher haben ein schwimmendes, solarbetriebenes Gerät entwickelt, das kontaminiertes Wasser oder Meerwasser überall auf der Welt in sauberen Wasserstoffbrennstoff und gereinigtes Wasser umwandeln kann.

„Das sind die Lösungen, die wir brauchen werden, um eine echte Kreislaufwirtschaft und eine nachhaltige Zukunft zu entwickeln“ – Erwin Reisner

Das von Forschern der Universität Cambridge entwickelte Gerät könnte in ressourcenbeschränkten oder netzunabhängigen Umgebungen nützlich sein, da es mit jeder offenen Wasserquelle funktioniert und keine externe Stromversorgung benötigt.

Es ist von der Photosynthese inspiriert, dem Prozess, bei dem Pflanzen Sonnenlicht in Nahrung umwandeln. Doch im Gegensatz zu früheren Versionen des „künstlichen Blattes“, das grünen Wasserstoffkraftstoff aus sauberen Wasserquellen produzieren konnte, arbeitet dieses neue Gerät mit verschmutzten Quellen oder Meerwasserquellen und kann gleichzeitig sauberes Trinkwasser produzieren.

Tests des Geräts zeigten, dass es in der Lage war, aus stark verschmutztem Wasser, Meerwasser und sogar aus dem Fluss Cam im Zentrum von Cambridge sauberes Wasser zu erzeugen. Über die Ergebnisse wird im Journal berichtet Naturwasser.

„Es ist schwierig, die Herstellung solarer Brennstoffe und die Wasseraufbereitung in einem einzigen Gerät zu vereinen“, sagte Dr. Chanon Pornrungroj vom Yusuf Hamied Department of Chemistry in Cambridge, Mitautor der Studie. „Die solarbetriebene Wasserspaltung, bei der Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden, muss mit völlig reinem Wasser beginnen, da jegliche Verunreinigungen den Katalysator vergiften oder unerwünschte chemische Nebenreaktionen verursachen können.“

„In abgelegenen oder sich entwickelnden Regionen, in denen sauberes Wasser relativ knapp ist und die für die Wasserreinigung notwendige Infrastruktur nicht ohne weiteres verfügbar ist, ist die Wasserspaltung äußerst schwierig“, sagte Co-Hauptautor Ariffin Mohamad Annuar. „Ein Gerät, das mit verunreinigtem Wasser arbeiten könnte, könnte zwei Probleme gleichzeitig lösen: Es könnte Wasser spalten, um sauberen Kraftstoff herzustellen, und es könnte sauberes Trinkwasser erzeugen.“

Pornrungroj und Mohamad Annuar, beide Mitglieder der Forschungsgruppe von Professor Erwin Reisner, haben einen Entwurf entwickelt, der genau das erreicht. Sie lagerten einen Photokatalysator auf einem nanostrukturierten Kohlenstoffnetz ab, das sowohl Licht als auch Wärme gut absorbiert und den Wasserdampf erzeugt, der vom Photokatalysator zur Erzeugung von Wasserstoff verwendet wird. Das wasserabweisend behandelte poröse Kohlenstoffnetz diente sowohl dazu, den Photokatalysator beim Schwimmen zu unterstützen, als auch ihn vom darunter liegenden Wasser fernzuhalten, sodass Verunreinigungen seine Funktionalität nicht beeinträchtigen.

Darüber hinaus nutzt das neue Gerät mehr Sonnenenergie. „Der lichtbetriebene Prozess zur Herstellung von Solarkraftstoffen nutzt nur einen kleinen Teil des Sonnenspektrums – ein großer Teil des Spektrums bleibt ungenutzt“, sagte Mohamad Annuar.

Für die Wasserstoffproduktion durch Wasserspaltung nutzte das Team eine weiße, UV-absorbierende Schicht auf der schwimmenden Vorrichtung. Der Rest des Lichts im Sonnenspektrum wird auf die Unterseite des Geräts übertragen, wodurch das Wasser verdampft.

„Auf diese Weise nutzen wir das Licht besser – wir erhalten den Dampf für die Wasserstoffproduktion, der Rest ist Wasserdampf“, sagte Pornrungroj. „Auf diese Weise ahmen wir wirklich ein echtes Blatt nach, da wir nun den Prozess der Transpiration einbeziehen konnten.“

Ein Gerät, das allein mit Solarenergie gleichzeitig sauberen Kraftstoff und sauberes Wasser erzeugen kann, könnte dazu beitragen, die Energie- und Wasserkrise zu bewältigen, mit der so viele Teile der Welt konfrontiert sind. Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation ist beispielsweise die Luftverschmutzung in Innenräumen, die durch das Kochen mit „schmutzigen“ Brennstoffen wie Kerosin verursacht wird, für mehr als drei Millionen Todesfälle pro Jahr verantwortlich. Stattdessen könnte das Kochen mit grünem Wasserstoff dazu beitragen, diese Zahl deutlich zu reduzieren. Und 1,8 Milliarden Menschen weltweit haben zu Hause immer noch kein sauberes Trinkwasser.

„Außerdem ist das Design so einfach: In nur wenigen Schritten können wir ein Gerät bauen, das mit Wasser aus einer Vielzahl von Quellen gut funktioniert“, sagte Mohamad Annuar.

„Es ist sehr tolerant gegenüber Schadstoffen und das schwimmende Design ermöglicht es dem Substrat, auch in sehr trübem oder schlammigem Wasser zu wirken“, sagte Pornrungroj. „Es ist ein äußerst vielseitiges System.“

„Unser Gerät ist immer noch ein Beweis des Prinzips, aber diese Art von Lösungen werden wir brauchen, wenn wir eine echte Kreislaufwirtschaft und eine nachhaltige Zukunft entwickeln wollen“, sagte Reisner, der die Forschung leitete. „Die Klimakrise und Probleme im Zusammenhang mit Umweltverschmutzung und Gesundheit hängen eng zusammen, und die Entwicklung eines Ansatzes, der dabei helfen könnte, beides anzugehen, würde für so viele Menschen von entscheidender Bedeutung sein.“

Die Forschung wurde teilweise durch das Horizon 2020-Programm der Europäischen Kommission, den Europäischen Forschungsrat, den Cambridge Trust, das Petronas Education Sponsorship Programme und das Winton Program for the Physics of Sustainability unterstützt. Erwin Reisner ist Fellow des St. John’s College. Chanon Pornrungroj ist Mitglied des Darwin College und Ariffin Mohamad Annuar ist Mitglied des Clare College.

Referenz: Chanon Pornrungroj, Ariffin Bin Mohamad Annuar et al. ‘Hybride photothermische Photokatalysatorplatten für die solarbetriebene Gesamtwasserspaltung gekoppelt mit der Wasserreinigung.’ Naturwasser (2023). DOI: 10.1038/s44221-023-00139-9

Ursprünglich veröffentlicht von Universität von Cambridge.