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Institut für Energie- und Klimaforschung

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a-leaf

An Artificial Leaf: eine photo-elektrisch-katalytische Zelle aus reichlich vorhanden Materialien zur nachhaltigen solaren Produktion von CO2-basierten Chemikalien und Treibstoffen.

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a-leaf befasst sich mit der Entwicklung von photo-elektro-katalytischen (PEC) Zelle zur direkten Umwandlung von Wasser und CO2 in Treibstoffe und Chemikalien (CO2-Reduktion) sowie Sauerstoff (Wasseroxidation) unter ausschließlicher Verwendung von Solarenergie. Der Aufbau der Zelle beruht auf: kostengünstigen, multifunktionalen Photoelektroden mit der Fähigkeit, Sonnenstrahlung in eine elektrochemische Potentialdifferenz umzuwandeln (erwartete Effizienz > 12%); ultra-dünnen Schichten und Nanopartikeln aus Metall- oder Metalloxid-Katalysatoren für beide Teilzellen-Reaktionen (erwartete Effizienz > 90%); sowie state-of-the-art Membrantechnologien zur Trennung der gasförmigen/flüssigen Reaktionsprodukte zum Erreichen des angestrebten solar-to-fuels Umwandlungswirkungsgrads von über 10%. Spezielles Augenmerk gilt dabei der Maximierung der Leistungsfähigkeit in Lösungen mit pH > 7 und bei gemäßigten Temperaturen (50-80 ºC), um von der hohen Stabilität sowie der günstigen Kinetik der Materialkomponenten unter den genannten Bedingungen zu profitieren. Schlüsselbereiche in a-leaf sind:

  1. Oberflächenwissenschaft: Entwicklung und Charakterisierung von state-of-the-art Metall- und Metalloxid-Katalysatoren (Kristalle oder Nanostrukturen auf Metall oder Silizium gewachsen) zur Wasseroxidation und CO2-Reduktion durch ortsaufgelöste Experimente (Rastersondenmikroskopie) sowie räumlich gemittelte Oberflächenverfahren, inklusive einer Analyse der Oberflächenbeschaffenheit vor, nach sowie während (“in operando”) elektrochemischen Reaktionen.
  2. Photoelektroden: Das Forschungszentrum Jülich entwickelt und charakterisiert hocheffizente Photoelektroden auf der Basis von Silizium-Mehrfachstapelzellen mit geeigneten Photospannungen (>2V) zur Ermöglichung von photoelectrochemischen Reaktionen ohne angelegte Spannung.
  3. Modellierung: Simulation von Materialien, Katalysatoren und Prozesse mittels rechnergestützten Verfahren als essentielles Werkzeug zum physikalischen Verständnis sowie zur Optimierung der Photokatalytischen Elektroden in Richtung ihrer Leistungsgrenzen.

Das in diesen Parallelstudien ermittelte Optimum an Materialen und Umweltbedingungen wird anschließend in einem PEC-Zell-Prototyp integriert. Das entsprechende Design beinhaltet Membranen zum Ionenaustausch sowie Gasdiffusionsschichten zur Trennung der Reaktionsprodukte. Zentral ist dabei die Leistung bei realen Arbeitsbedingungen unter Sonneneinstrahlung, um die technologische und industrielle Relevanz der a-leaf Zelle zu prüfen.

Projektpartner:

a-leaf partners

Institute of Chemical Research of Catalonia (ICIQ), ETHZ, University of Leiden, IMDEA Nanociencia, EPFL, TU Wien, Universitat Jaume I, Imperial College London, TUD, Forschungszentrum Jülich, University of Montpellier, INSTM, Covestro AG

Kontakt:

Dr. Vladimir Smirnov, Dr. Tsvetelina Merdzhanova, Dr. Friedhelm Finger

Webseite:

http://www.a-leaf.eu/


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